趙亞鵬

（山西潞安郭莊煤礦有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治0 46100）

引言

煤炭是我國(guó)工業(yè)發(fā)展的命脈，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。我國(guó)的煤炭資源多依靠地下開(kāi)采的方式，在進(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程中對(duì)井下各種巷道的掘進(jìn)及支護(hù)是重要的工作內(nèi)容。井下巷道的支護(hù)對(duì)巷道的穩(wěn)定性及煤礦的安全開(kāi)采具有重要的作用[1]。隨著我國(guó)煤層的不斷開(kāi)采，逐漸向著深部高應(yīng)力的煤層過(guò)渡，開(kāi)采的難度不斷增加，巷道的變形增加[2]，因此對(duì)巷道支護(hù)的要求越來(lái)越高。煤礦開(kāi)采過(guò)程中，增加支護(hù)的密度是保證巷道穩(wěn)定性的一種方式，單純地增加支護(hù)密度會(huì)造成采掘接替的緊張[3]，影響煤礦的開(kāi)采效率。針對(duì)巷道錨桿支護(hù)的不同參數(shù)進(jìn)行分析，研究不同參數(shù)對(duì)巷道支護(hù)的機(jī)理作用[4]，從而采用合理的支護(hù)方式保證巷道的穩(wěn)定性，并提高煤礦的開(kāi)采效率。

1 錨桿對(duì)巷道支護(hù)作用的機(jī)理分析

煤層開(kāi)采時(shí)，巷道在開(kāi)挖之前的圍巖處于三向受力狀態(tài)，體積受到一定的壓縮而處于彈性狀態(tài)，具有較高的承受破壞的能力[5]。巷道掘進(jìn)后，巷道的圍巖附近的應(yīng)力降低，從而使得巷道表面的應(yīng)力逐漸增加，由于圍巖的壓力作用對(duì)巖層的強(qiáng)度造成影響，使得圍巖產(chǎn)生變形。

巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，由于巷道的埋深、圍巖性質(zhì)及采動(dòng)作用的不同，使得圍巖的變形量不同，且不同地質(zhì)條件下圍巖的變形量也不同[6]。不同地質(zhì)條件下巷道巖體變形的深表比的變化趨勢(shì)與巷道掘進(jìn)過(guò)程中受到的應(yīng)力重力的分布一致，主要受到自身巖體的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)影響，同時(shí)受垂直應(yīng)力、巷道斷面的作用。

巷道進(jìn)行掘進(jìn)開(kāi)挖后，需采用錨桿進(jìn)行巷道的支護(hù)從而控制巷道圍巖的變形過(guò)大，錨桿是安裝在圍巖體內(nèi)部的支護(hù)桿，其受到的作用力相對(duì)復(fù)雜[7]。錨桿進(jìn)行支護(hù)的過(guò)程中，對(duì)巷道圍巖的作用力可以分為徑向錨固力及切向錨固力，如圖1所示。

圖1 錨桿的支護(hù)作用力示意圖

切向錨固力指錨桿在支護(hù)過(guò)程中對(duì)弱面形成的限制巷道弱面滑動(dòng)及擴(kuò)大的約束力，巷道的弱面與巷道一般呈一定角度分布，錨桿對(duì)弱面的作用力和弱面相切。弱面自身的強(qiáng)度較低，不利于巷道的穩(wěn)定，切向錨固力對(duì)保持巷道的穩(wěn)定性作用較大。切向錨固力依據(jù)作用機(jī)理的不同可以分為托錨力及黏錨力[8]，托錨力是指在進(jìn)行支護(hù)的過(guò)程中通過(guò)鉆機(jī)施加的預(yù)應(yīng)力作用在巷道的表面限制巷道變形的徑向約束力，托錨力使得圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，將圍巖的單向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向或者三向應(yīng)力[9]，從而提高圍巖自身的強(qiáng)度，提高巷道的穩(wěn)定性。錨桿進(jìn)行支護(hù)的過(guò)程中通過(guò)錨固劑與圍巖相互黏接，形成一個(gè)整體，在巷道發(fā)生變形引起不同深度的位移不同時(shí)，引起圍巖的錯(cuò)動(dòng)，此時(shí)圍巖受到錨桿的作用力成為黏錨力[10]。黏錨力對(duì)巷道施加沿著軸向的作用力，減小圍巖的錯(cuò)動(dòng)。

2 不同錨桿支護(hù)參數(shù)的作用機(jī)理分析

進(jìn)行巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，巖層的圍巖產(chǎn)生一定的破裂，錨桿對(duì)圍巖的加固作用通過(guò)托盤(pán)及桿體的托錨力及黏錨力結(jié)合錨桿的切向力限制巷道圍巖的變形。在進(jìn)行巷道掘進(jìn)支護(hù)的過(guò)程中，錨桿的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)支護(hù)的作用具有直接的影響[11]。針對(duì)錨桿的預(yù)緊力及布置角度，對(duì)不同參數(shù)下的錨桿支護(hù)的機(jī)理進(jìn)行分析。

2.1 錨桿預(yù)緊力

錨桿進(jìn)行支護(hù)過(guò)程中的預(yù)緊力對(duì)保證錨桿的高效支護(hù)具有決定性的作用，可以提高單個(gè)錨桿的支護(hù)能力。對(duì)不同錨桿預(yù)緊力作用下的錨桿支護(hù)的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析，得到預(yù)緊力為20 kN及100 kN時(shí)的應(yīng)力分布如圖2所示。從圖2中可以看出，在預(yù)緊力為20 kN時(shí)，錨桿尾部的應(yīng)力較為集中，隨著錨桿支護(hù)深度的增加，壓應(yīng)力逐漸降低，且在到達(dá)忙那一半長(zhǎng)度時(shí)，壓應(yīng)力作用為零；錨桿較小的預(yù)緊力使得錨桿產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度較低，錨桿兩端的應(yīng)力作用不能形成整個(gè)的應(yīng)力場(chǎng)作用，錨桿中間段的應(yīng)力重疊較少，錨桿的支護(hù)作用較弱。在預(yù)緊力為100 kN時(shí)可以看到，在錨桿的中間長(zhǎng)度時(shí)形成了強(qiáng)度較大的壓應(yīng)力作用區(qū)，相對(duì)于20 kN時(shí)的有效壓應(yīng)力作用增加較大，同時(shí)錨桿的另一端出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)域，與微端的壓應(yīng)力作用相互配合形成壓應(yīng)力場(chǎng)，可以有效地控制巷道圍巖的變形。錨桿之間形成整體作用的壓應(yīng)力區(qū)域，多個(gè)錨桿支護(hù)時(shí)對(duì)巷道的支護(hù)起到了更好的作用。

圖2 不同錨桿預(yù)緊力作用下的應(yīng)力場(chǎng)分布

2.2 錨桿安裝角度

錨桿進(jìn)行支護(hù)過(guò)程中桿體的軸向與頂板的垂線(xiàn)之間常依據(jù)地形的不同存在一定的角度，即為錨桿支護(hù)的安裝角度。錨桿安裝角度的不同對(duì)巷道支護(hù)的應(yīng)力場(chǎng)具有一定的影響，對(duì)垂直安裝、傾斜角10°、傾斜角30°的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到不同安裝角度的應(yīng)力場(chǎng)分布如圖3所示。從圖3中可以看出，錨桿進(jìn)行垂直安裝時(shí)，四角的錨桿與巷道中間位置的頂錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)域相互重疊相互作用，在頂板的深度上形成較大的應(yīng)力場(chǎng)，且分布較為均勻，占據(jù)了大部分的錨固范圍，有利于錨桿預(yù)緊力的擴(kuò)散作用[12]，具有較好的支護(hù)作用。在錨桿的安裝角度增加時(shí)，四角的錨桿應(yīng)力場(chǎng)與中間位置的壓應(yīng)力區(qū)域重合逐漸減小，應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度不斷降低，對(duì)巷道圍巖的錨固作用也隨時(shí)降低。在安裝角度為30°時(shí)，相互之間的應(yīng)力場(chǎng)基本么有重疊作用，形成相互獨(dú)立的錨桿支護(hù)，對(duì)巷道支護(hù)的作用有限，不能發(fā)揮錨桿之間的整體作用，不利于控制巷道的圍巖變形。

圖3 不同錨桿安裝角度的應(yīng)力場(chǎng)分布

在進(jìn)行錨桿支護(hù)的過(guò)程中，預(yù)緊力的作用也會(huì)相互疊加，采用錨桿控制圍巖的變形作用時(shí)安裝角度越小越好，有利于預(yù)緊力的擴(kuò)散作用，最好采用垂直安裝的形式。當(dāng)巷道的地質(zhì)條件不允許進(jìn)行垂直安裝時(shí)，錨桿的安裝角度不能大于10°，從而可以發(fā)揮錨桿之間的作用，避免單個(gè)錨桿發(fā)揮支護(hù)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

錨桿支護(hù)是巷道掘進(jìn)過(guò)程中的重要工作內(nèi)容，對(duì)煤礦及巷道的安全具有重要的作用。在巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，對(duì)巷道進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)的不同對(duì)支護(hù)的效果具有重要的影響。針對(duì)巷道支護(hù)的機(jī)理作用，從影響錨桿支護(hù)力的因素中選擇錨桿的預(yù)緊力及安裝角度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，錨桿的預(yù)緊力要保證一定的強(qiáng)度才能發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用，在地形允許的條件下盡量采用較小的錨桿安裝角度，有利于發(fā)揮錨桿間的支護(hù)作用。進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可據(jù)此進(jìn)行合理支護(hù)參數(shù)的選擇，從而保證支護(hù)的效果以及煤礦的安全生產(chǎn)。