王 卓

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

能源是維持世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，其對(duì)各國(guó)的發(fā)展均有著重要的意義。我國(guó)已經(jīng)探明的資源儲(chǔ)量眾多，整體能源格局呈現(xiàn)出多煤、少油、貧氣的格局，所以在我國(guó)煤炭資源的重要性不言而喻。在我國(guó)煤炭資源開采過程中，支護(hù)一直是重要的研究課題。近年來，隨著我國(guó)開采年限及開采深度的不斷增加，煤炭資源開采的難度不斷增加，這無疑造成巷道圍巖變形及破碎嚴(yán)重的問題，所以支護(hù)的難度不斷加大，支護(hù)過當(dāng)及支護(hù)不當(dāng)均對(duì)礦井企業(yè)有著較多不利因素，所以研究支護(hù)問題成為了礦井開采的重要課題[1-2]。此前眾多學(xué)者對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行過研究，但多為支護(hù)方案的可行性研究[3-4]。本文基于前人的研究基礎(chǔ)，在考慮諸多因素的情況下對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)與預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果之間的關(guān)系進(jìn)行研究，為后續(xù)基于錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果的錨桿支護(hù)參數(shù)選擇提供一定的參考與借鑒。

1 軟弱夾層對(duì)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散的影響

在進(jìn)行礦井支護(hù)方案研究時(shí)，由于礦井地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，環(huán)境不可控因素眾多，所以對(duì)其進(jìn)行研究的手段相對(duì)匱乏，此時(shí)數(shù)值模擬計(jì)算的優(yōu)越性就展現(xiàn)出來，其能夠計(jì)算不同圍巖情況下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)及采掘過程中圍巖位移情況。本文選擇FLAC3D 對(duì)巷道頂板中軟弱巖層（泥巖）位于不同層位時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散效果。

在巷道支護(hù)過程中，圍巖與預(yù)應(yīng)力錨桿相互作用，錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中形成擴(kuò)散形態(tài)及效果，達(dá)到預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作用，首先對(duì)泥巖位于頂板0.2 m、0.4 m、0.6 m 和0.8 m 四種層位下錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果進(jìn)行數(shù)值模擬。巷道的斷面選擇4.5 m×2.6 m 的矩形斷面，選定錨桿的型號(hào)為Φ20 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為0.8 m、0.8 m，設(shè)定錨桿預(yù)緊力為60 kN。模型的尺寸設(shè)定為長(zhǎng)×寬×高=24.5 m×5 m×18 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過劃分后模型的網(wǎng)格共計(jì)527 450 個(gè)，對(duì)不同軟弱巖層層位下錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果進(jìn)行分析，模擬云圖如圖1 所示。

圖1 不同軟弱巖層層位下錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果云圖

如圖1 所示，當(dāng)泥巖位于頂板0.2 m 層位時(shí)，此時(shí)壓應(yīng)力區(qū)集中在托盤及錨桿端部，拉應(yīng)力區(qū)范圍較大，在托盤位置形成壓應(yīng)力疊加，在疊加位置的應(yīng)力為0.98 MPa，壓應(yīng)力區(qū)范圍較小，在支護(hù)錨桿的端部未形成應(yīng)力的疊加，所以錨桿預(yù)應(yīng)力未能有效擴(kuò)散，擴(kuò)散效果較差；當(dāng)泥巖位于0.4 m 層位時(shí)，此時(shí)的頂板壓應(yīng)力集中在錨桿桿體端部和桿體尾部，在錨桿錨固外出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，同時(shí)在錨桿兩端出現(xiàn)應(yīng)力疊加區(qū)，應(yīng)力疊加區(qū)能夠覆蓋錨桿桿體，此時(shí)在疊加區(qū)的應(yīng)力值為1.14 MPa，壓應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力值有明顯增大，此時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散，滿足預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)效果；當(dāng)泥巖在0.6 m 層位時(shí)，此時(shí)同樣在每根錨桿的端尾部形成壓應(yīng)力區(qū)，壓應(yīng)力區(qū)同樣能夠覆蓋錨桿桿體，此時(shí)在錨桿端部拉應(yīng)力區(qū)有了一定的減小，疊加區(qū)的邊界應(yīng)力值為1.09 MPa，較泥巖層位0.4 m時(shí)有了微弱的減小，預(yù)應(yīng)力基本能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)散；當(dāng)泥巖在0.8 m 層位時(shí)，此時(shí)錨桿端尾部形成壓應(yīng)力區(qū)，端部壓應(yīng)力實(shí)現(xiàn)了疊加，此時(shí)的擴(kuò)散范圍較大，范圍邊界應(yīng)力值為1.14 MPa，錨桿的端部以上拉應(yīng)力的范圍有了明顯的減小，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果很好。所以當(dāng)軟弱夾層位于頂板層位0.2 m 以上時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨桿效果較好，當(dāng)層位較小時(shí)，必須調(diào)整支護(hù)參數(shù)，達(dá)到安全生產(chǎn)目的。

2 不同參數(shù)下預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散分析

對(duì)不同預(yù)緊力、錨桿直徑下的錨桿擴(kuò)散率進(jìn)行分析，繪制不同預(yù)緊力和錨桿直徑下的錨桿擴(kuò)散率曲線如圖2 所示。

圖2 不同預(yù)緊力、錨桿直徑下預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率曲線

從圖2 可以看出，隨著預(yù)緊力的不斷增加，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)預(yù)緊力為30 kN，此時(shí)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率為0.38；當(dāng)預(yù)緊力為150 kN，此時(shí)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率為0.91。由此可以看出，隨著預(yù)緊力的增大，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的擴(kuò)散效果越強(qiáng)，支護(hù)效果越好。觀察錨桿直徑與預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率間的關(guān)系可以看出，隨著錨桿直徑的不斷增大，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)錨桿直徑為16 mm 時(shí)，此時(shí)的錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率最大為0.86；當(dāng)錨桿直徑為20 mm 時(shí)，此時(shí)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率最小，最小值為0.69；當(dāng)錨桿直徑為24 mm 時(shí)，此時(shí)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率為0.76。所以當(dāng)錨桿直徑為16 mm 時(shí)，此時(shí)的預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果最佳。

對(duì)不同間排距、錨桿長(zhǎng)度下的錨桿擴(kuò)散率進(jìn)行分析，繪制不同間排距、錨桿長(zhǎng)度下的錨桿擴(kuò)散率曲線如圖3 所示。

圖3 不同間排距、錨桿長(zhǎng)度下預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率曲線

從圖3 可以看出，隨著間排距的不斷增加，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，當(dāng)間排距為0.6 m、0.6 m，此時(shí)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率為0.96；當(dāng)間排距為1.4 m，此時(shí)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率為0.48。由此可以看出，隨著間排距的增大，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的擴(kuò)散效果逐步減弱，此時(shí)由于支護(hù)密度的降低，支護(hù)效果減弱。觀察錨桿長(zhǎng)度與預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率間的關(guān)系可以看出，隨著錨桿長(zhǎng)度的不斷增大，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為1.6 m，此時(shí)的錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率最大，為0.74；當(dāng)錨桿直徑為2.0 m，此時(shí)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率最大，最大值為0.75；當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2.4 m，此時(shí)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率為0.69。所以當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2.0 m 時(shí)，此時(shí)的預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果最佳。

對(duì)四種參數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果敏感性進(jìn)行分析，根據(jù)曲線的最大值與最小值間的差值進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算可知，對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散率影響因素主次關(guān)系排序?yàn)椋哄^桿預(yù)緊力＞錨桿間排距＞錨桿直徑＞錨桿長(zhǎng)度。所以從上述關(guān)系可以看出，錨桿間排距與預(yù)緊力是影響錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果最為主要的因素。

3 結(jié)論

1）根據(jù)模擬研究得出，當(dāng)軟弱夾層位于頂板層位0.2 m 以上時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨桿效果較好，當(dāng)層位較小時(shí)，必須調(diào)整支護(hù)參數(shù)，達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的。

2）隨著預(yù)緊力的不斷增加，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)；而隨著錨桿直徑的增大，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

3）隨著間排距的不斷增加，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)；隨著錨桿長(zhǎng)度的不斷增大，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。