查文華 ，樊 昊 ，劉新權(quán) ，許 濤 ，劉 嘯 ，程文博 ，陳登紅

（1.東華理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；4.豐城曲江煤炭開發(fā)有限責(zé)任公司，江西 豐城 331136；5.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

煤炭能源在中國(guó)能源的消耗中占據(jù)著主要地位[1-3]，隨著近年來(lái)對(duì)煤炭能源的不斷開采，我國(guó)中東部地區(qū)的煤礦開采大部分處于深部開采階段[4-6]。而深部巷道圍巖條件比中淺部巷道更加復(fù)雜，實(shí)踐表明傳統(tǒng)的煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)無(wú)法有效控制深部煤礦巷道圍巖的大變形難題[7-10]，故國(guó)內(nèi)外學(xué)者在深部巷道錨桿支護(hù)方面進(jìn)行了大量研究[11-13]。

為解決深部巖巷實(shí)際工程難題，學(xué)者們基于實(shí)際工程對(duì)傳統(tǒng)錨桿在材料[14-15]或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)[16-17]，提出眾多新型錨桿，研究了新型錨桿力學(xué)特性和錨固性能并給出最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。王偉濤等[18]研究了漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿的錨固效果，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，給出最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，結(jié)果表明漲殼式錨桿支護(hù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)錨桿支護(hù)形式；朱珍德等[19]對(duì)中空注漿錨桿進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的錨桿連接段螺紋段進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后的錨桿連接段抗拉性能明顯提升。綜上所述，新型錨桿結(jié)構(gòu)雖然可有效解決深部巖巷支護(hù)失效的難題，但部分新型錨桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)高，不利于推廣應(yīng)用，因此開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)實(shí)用型新型錨桿是當(dāng)前解決深部巖巷支護(hù)失效難題的重點(diǎn)之一。

為此，基于前期提出的新型拉力分散型錨桿，在圍壓和剪切作用下的室內(nèi)拉拔試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上[20-21]，考慮實(shí)際工程中圍巖應(yīng)力條件復(fù)雜情況，現(xiàn)以某巷道為試驗(yàn)巷道，采用有限元軟件FLAC3D進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)深部巖巷的控制作用研究，并優(yōu)選錨桿支護(hù)參數(shù)，系統(tǒng)性分析新型拉力分散型錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)深部巖巷圍巖控制作用，為新型拉力分散型錨桿后續(xù)在巷道中使用以及選型提供一定的參考作用。

1 工程概況

試驗(yàn)巷道為某深部礦井，礦井埋深為825 m，屬于深部開采。試驗(yàn)巷道為半圓拱形，巷道總體尺寸為寬4.6 m，高4.7 m，巷道布置在9#煤中并破底掘進(jìn)，9#煤直接頂板為石灰?guī)r，灰色，厚層狀，生物碎屑結(jié)構(gòu)，裂隙較發(fā)育，厚度約6 m，9#煤層底板為砂質(zhì)泥巖，灰黑色、粉砂質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理發(fā)育含植物化石及黃鐵礦結(jié)核，厚度約6 m。圍巖物理力學(xué)性質(zhì)及其厚度見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2 數(shù)值模型與模擬方案

2.1 數(shù)值模型

由試驗(yàn)巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)，建立了尺寸為60 m×30 m×50 m 的長(zhǎng)方體來(lái)模擬巖體，模型共有1 112 910 個(gè)單元。模型共9 層，自上而下分別為砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r、9#煤層、砂質(zhì)泥巖、10#煤層、泥巖、砂巖，模型受到的應(yīng)力由上覆巖層的自重所引起，模型受到的應(yīng)力數(shù)值大小根據(jù)埋深來(lái)確定，每100 m 地層自重以2.5 MPa作用力施加在模型頂部，故頂部施加20 MPa 均布荷載等價(jià)于覆巖壓力，模型底部和四周為位移約束，側(cè)壓力系數(shù)取1.2。數(shù)值模型巖層分布如圖1。

圖1 數(shù)值模型巖層分布示意Fig.1 Numerical model of strata distribution

錨桿采用FLAC3D中的“cable”單元布置，整個(gè)模型均服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，按實(shí)際施工過程模擬程序?yàn)椋撼跏紤?yīng)力計(jì)算平衡→ 巷道開挖 →錨桿支護(hù)加固。巷道支護(hù)斷面如圖2。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖Fig.2 Section of roadway support

本研究的新型拉力分散型錨桿結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 新型拉力分散型錨桿結(jié)構(gòu)[20]Fig.3 New type of tension dispersing bolt structure

拉力分散型錨桿桿體A、B 外段由整合螺紋聯(lián)結(jié)，螺紋上套有托盤以及配套的螺母。拉力分散型錨桿的桿體A、B 非等長(zhǎng)，桿體B 比桿體A 稍長(zhǎng)，且桿體B 上套有與桿體A 等長(zhǎng)的PVC 塑套，從而使錨固段剪應(yīng)力分布比較均勻，提高錨固性能；同時(shí)由于雙螺旋錨桿自身的形狀特點(diǎn)，該錨桿抵抗大變形能力和抗剪切能力也大大增強(qiáng)[21]。新型拉力分散型錨桿的總體錨固長(zhǎng)度等于桿體A和桿體B 的錨固長(zhǎng)度之和。在本次數(shù)值模擬時(shí)將新型錨桿的錨固長(zhǎng)度進(jìn)行了簡(jiǎn)化，設(shè)定新型錨桿的A、B 桿各自的錨固長(zhǎng)度相同。

2.2 數(shù)值模擬方案

基于系統(tǒng)的對(duì)錨桿長(zhǎng)度、錨桿間距、錨桿排距、錨桿直徑和錨固長(zhǎng)度5 個(gè)參數(shù)組合方案下的巷道支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析巷道圍巖變形、垂直應(yīng)力的變化，得到新型拉力分散型錨桿最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，及各參數(shù)對(duì)巷道圍巖變形的控制效果的影響主次順序。具體模擬方案如下：

1）錨桿長(zhǎng)度優(yōu)選模擬方案。錨桿間排距取0.6 m，錨桿直徑取22 mm，錨固總長(zhǎng)度取1.0 m，錨桿長(zhǎng)度取2.0、2.2、2.5、2.8 m。

2）錨桿間距優(yōu)選模擬方案。錨桿長(zhǎng)度取2.5 m，錨桿排距取0.6 m，錨桿直徑取22 mm，錨固總長(zhǎng)度取1.0 m，錨桿間距取0.6、0.8、1.0、1.2 m。

3）錨桿排距優(yōu)選模擬方案。錨桿長(zhǎng)度取2.5 m，錨桿間距取0.6 m，錨桿直徑取22 mm，錨固總長(zhǎng)度取1.0 m，錨桿排距取0.6、0.8、1.0、1.2 m。

4）錨桿直徑優(yōu)選模擬方案。錨桿長(zhǎng)度取2.5 m，錨桿間排距取0.6 m，錨固總長(zhǎng)度取1.0 m，錨桿直徑取18、20、22、24 mm。

5）錨固長(zhǎng)度優(yōu)選模擬方案。錨桿長(zhǎng)度取2.5 m，錨桿間排距取0.6 m，錨桿直徑取22 mm，錨固總長(zhǎng)度取0.6、1.0、1.4、1.8 m，A、B 桿錨固長(zhǎng)度都取0.3、0.5、0.7、0.9 m。

3 錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)選

3.1 錨桿長(zhǎng)度優(yōu)選結(jié)果

錨桿長(zhǎng)度與巷道圍巖變形如圖4，錨桿長(zhǎng)度與巷道垂直應(yīng)力變化如圖5。

圖4 錨桿長(zhǎng)度與巷道圍巖變形圖Fig.4 Bolt length and roadway surrounding rock deformation diagram

圖5 不同錨桿長(zhǎng)度下巷道垂直應(yīng)力圖Fig.5 Vertical stress diagram of roadway under different bolt lengths

由圖4 可知：巷道圍巖最大位移隨著錨桿長(zhǎng)度的增大，表現(xiàn)為不斷減小的趨勢(shì)，但當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大到2.5 m 后，巷道圍巖最大位移的減小幅度很小。由圖5 可知：巷道最大垂直拉應(yīng)力隨著錨桿長(zhǎng)度的增大，表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，巷道最大垂直拉應(yīng)力在錨桿長(zhǎng)度為2.5 m 處最小，而巷道最大垂直壓應(yīng)力表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)，兩幫壓應(yīng)力集中區(qū)的面積表現(xiàn)為不斷減小的趨勢(shì)。

綜上所述，錨桿長(zhǎng)度的變化對(duì)巷道變形的控制效果的影響較為明顯，巷道最大位移和垂直應(yīng)力的變化均表明錨桿長(zhǎng)度在2.5 m 時(shí)，對(duì)圍巖的控制作用最優(yōu)。

3.2 錨桿間距優(yōu)選結(jié)果

錨桿間距與巷道圍巖變形如圖6，錨桿間距與巷道垂直應(yīng)力變化如圖7。

由圖6 可知：錨桿間距為0.6 m 時(shí)，頂板、底板和兩幫的最大位移分別是207、365、273 mm，此時(shí)巷道圍巖最大位移最小，錨桿對(duì)巷道圍巖的控制作用最好；錨桿間距增加到0.8 m 時(shí)，頂板、底板和兩幫的最大位移分別是230、378、299 mm，此時(shí)巷道圍巖最大位移開始增大，錨桿對(duì)巷道圍巖的控制作用開始降低；錨桿間距增加到1.0 m，頂板、底板和兩幫的最大位移分別是239、389、318 mm，此時(shí)巷道圍巖最大位移繼續(xù)增大，錨桿對(duì)巷道圍巖的控制作用繼續(xù)降低；錨桿間距增加到1.2 m，頂板、底板和兩幫的最大位移分別是293、401、350 mm，此時(shí)巷道圍巖最大位移最大，錨桿對(duì)巷道圍巖的控制作用最差；錨桿間距從0.6 m增加到1.2 m，頂板、底板和兩幫的圍巖位移變形量分別增加了41.5%、9.9%、28.2%，圍巖位移變化顯著。由圖7 可知：巷道最大垂直壓應(yīng)力隨著錨桿間距的增大，表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)，且兩幫的壓應(yīng)力集中區(qū)的面積也表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)，兩者增加幅度均顯著。

綜上所述，錨桿間距的變化對(duì)巷道圍巖變形的控制效果的影響顯著，錨桿間距設(shè)置為0.6 m 時(shí)對(duì)圍巖變形的控制作用最優(yōu)。

3.3 錨桿排距優(yōu)選結(jié)果

錨桿排距與巷道圍巖變形如圖8，錨桿排距與巷道垂直應(yīng)力變化如圖9。

圖8 錨桿排距與巷道圍巖變形圖Fig.8 Bolt row spacing and roadway surrounding deformation

圖9 不同錨桿排距下巷道垂直應(yīng)力圖Fig.9 Vertical stress diagrams of roadway under different bolt row spacing

由圖8 可知：錨桿排距為0.6 m 時(shí)，頂板、底板和兩幫的最大位移分別是206、370、274 mm，此時(shí)巷道圍巖最大位移最小，錨桿對(duì)巷道圍巖的控制作用最好；錨桿排距從0.8 m 增加到1.0 m時(shí)，頂板、底板和兩幫的最大位移不斷增大，錨桿對(duì)巷道圍巖的控制作用不斷降低；錨桿排距增加到1.2 m，頂板、底板和兩幫的最大位移分別是326、397、355 mm，此時(shí)巷道圍巖最大位移最大，錨桿對(duì)巷道圍巖的控制作用最差；錨桿排距從0.6 m 增加到1.2 m，頂板、底板和兩幫的圍巖位移變形量分別增加了58.3%、7.3%、29.6%，圍巖位移變化顯著。由圖9 可知：巷道最大垂直壓應(yīng)力隨著錨桿排距的增大，表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)，且兩幫的壓應(yīng)力集中區(qū)的面積也表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)，兩者增加幅度均顯著。

綜上所述，錨桿排距的變化對(duì)巷道圍巖變形的控制效果的影響顯著，錨桿排距設(shè)置為0.6 m 時(shí)對(duì)圍巖變形的控制作用最優(yōu)。

3.4 錨桿直徑優(yōu)選結(jié)果

錨桿直徑與巷道圍巖變形如圖10，錨桿直徑與巷道垂直應(yīng)力變化如圖11。

圖10 錨桿直徑與巷道圍巖變形圖Fig.10 Anchor rod diameter and roadway surrounding deformation

圖11 不同錨桿直徑下巷道垂直應(yīng)力圖Fig.11 Vertical stress diagrams of roadway under different bolt diameters

由圖10 可知：隨著錨桿直徑的增大，頂板、兩幫、底板的位移變形幅度很小，頂板和底板最大位移都少許減小，而兩幫最大位移先減小后小幅度增大。由圖11 可知：巷道最大垂直壓應(yīng)力隨著錨桿直徑的增大，表現(xiàn)為不斷減小的趨勢(shì)；錨桿直徑為22 mm 時(shí)，巷道最大垂直拉應(yīng)力最小，錨桿的控制效果最好；隨著錨桿直徑增大，巷道最大垂直壓應(yīng)力變化幅度分別為0.08%、0.11%、0.22%，減小幅度很小，且兩幫的壓應(yīng)力集中區(qū)的面積變化也很小。

綜上所述，錨桿直徑的變化對(duì)巷道圍巖變形的控制效果的影響極小，綜合考慮圍巖位移和垂直應(yīng)力變化，錨桿直徑設(shè)置為22 mm 時(shí)對(duì)圍巖變形的控制作用最優(yōu)。

3.5 錨固長(zhǎng)度優(yōu)選結(jié)果

錨固長(zhǎng)度與巷道圍巖變形如圖12，錨固長(zhǎng)度與巷道垂直應(yīng)力變化如圖13。

圖12 錨固長(zhǎng)度與巷道圍巖變形圖Fig.12 Anchorage length and roadway surrounding deformation

圖13 不同錨固長(zhǎng)度下巷道垂直應(yīng)力圖Fig.13 Vertical stress diagrams of roadway under different anchoring lengths

由圖12 可知：錨固長(zhǎng)度為0.3 m 時(shí)，頂板、兩幫和底板的最大位移分別為235、306、380 mm，巷道圍巖位移量最大，錨桿對(duì)巷道圍巖的控制作用最差；錨固長(zhǎng)度增加到0.5 m 時(shí)，圍巖位移量開始減小，此時(shí)頂板、兩幫和底板的位移變形量至0.7 m 時(shí)，圍巖位移量繼續(xù)變小；錨固長(zhǎng)度增加到0.9 m 時(shí)，圍巖位移量最小，此時(shí)頂板、兩幫和底板的最大位移為216、283、375 mm，錨桿對(duì)巷道圍巖的控制作用最好；錨固長(zhǎng)度從0.3 m 增加到0.9 m，頂板、兩幫和底板的圍巖位移變形量分別減小了8.1%、7.5%、1.3%，圍巖位移變化較小。由圖13 可知：巷道最大垂直壓應(yīng)力隨著錨固長(zhǎng)度的增大，表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)，變化幅度為0.60%、0.13%、0.33%，而兩幫的壓應(yīng)力集中區(qū)面積表現(xiàn)為不斷減小的趨勢(shì)，且壓應(yīng)力集中區(qū)聯(lián)系逐漸減弱；錨固長(zhǎng)度為0.9 m 時(shí)，壓應(yīng)力集中區(qū)已經(jīng)分離開來(lái)。

綜上所述，錨固長(zhǎng)度的變化對(duì)巷道圍巖變形的控制效果的影響很小，綜合考慮圍巖位移和垂直應(yīng)力變化，錨固長(zhǎng)度設(shè)置為0.5 m 時(shí)對(duì)圍巖變形的控制作用最優(yōu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)研究了錨桿長(zhǎng)度、間距、排距、直徑和錨固長(zhǎng)度對(duì)深部巷道圍巖的控制作用。錨桿長(zhǎng)度對(duì)圍巖變形的控制效果的影響較為顯著，錨桿間排距對(duì)巷道圍巖變形的控制效果的影響顯著，錨桿直徑對(duì)巷道圍巖變形的控制效果的影響極小，錨固長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖變形的控制效果的影響很小。5 個(gè)參數(shù)對(duì)巷道圍巖變形的控制效果的影響主次順序?yàn)殄^桿間距=錨桿排距＞錨桿長(zhǎng)度＞錨固長(zhǎng)度＞錨桿直徑。優(yōu)選后試驗(yàn)巷道最優(yōu)的錨桿支護(hù)參數(shù)為：錨桿長(zhǎng)度2.5 m、桿體直徑22 mm、錨固長(zhǎng)度0.5 m、錨桿間排距0.6 m。