黃 俊

（同煤集團(tuán)忻州窯礦安監(jiān)站，山西 大同 037021）

1 引言

錨桿支護(hù)是控制巷道圍巖形變、巖層離層、頂板垮落的常見(jiàn)方式。錨桿形成的附加應(yīng)力場(chǎng)與巷道開(kāi)挖后的次生應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生相互作用力，形成井下綜合應(yīng)力場(chǎng)，保持巷道圍巖各巖層的穩(wěn)定[1]。本文結(jié)合忻州窯礦7 號(hào)煤層的實(shí)際參數(shù)和支護(hù)條件，進(jìn)行了分組探究性試驗(yàn)，進(jìn)一步明確預(yù)緊力、間排距以及錨索布置方式對(duì)錨桿支護(hù)附加應(yīng)力場(chǎng)的影響效果，從而找到最優(yōu)的支護(hù)方案。

2 模型參數(shù)設(shè)定及建立

同煤集團(tuán)忻州窯礦采用綜采放頂煤工藝，平均厚度為7.23m，地層傾角2°~5°之間，工作面長(zhǎng)度200m，生產(chǎn)能力超過(guò)1.5M/a。通過(guò)地質(zhì)報(bào)告獲取了7 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r石的具體參數(shù)。在FLAC3D數(shù)值模擬軟件中，采用摩爾庫(kù)倫模型進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)變化計(jì)算，忽略地應(yīng)力、重力加速度影響，以cable單元表示錨桿，以pretension 參數(shù)表示預(yù)緊力，構(gòu)建（x，y，z）為（50，30，48）的巷道環(huán)境模型，選取中間位置，以group、delete 參數(shù)設(shè)定5m×4m的巷道。

3 預(yù)緊力與錨桿支護(hù)附加應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系試驗(yàn)

為確定預(yù)緊力與錨桿支護(hù)附加應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系，選取單根錨桿和錨索進(jìn)行探究性試驗(yàn)?；疽笕缦拢哼x定巷道頂部中間位置，插入一個(gè)錨桿或錨索，通過(guò)改變預(yù)緊力數(shù)值，得到一系列的錨桿（索）附加應(yīng)力場(chǎng)效果圖。其參數(shù)設(shè)計(jì)方案如表1 所示。

表1 單錨桿（索）下預(yù)緊力參數(shù)設(shè)計(jì)方案

3.1 相同預(yù)緊力下錨桿（索）的附加應(yīng)力場(chǎng)特征

經(jīng)過(guò)多組試驗(yàn)比較可知，在不同預(yù)緊力情景下，單根錨桿（索）的附加應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)出相近特征，故選取40kN 的預(yù)緊力參數(shù)進(jìn)行相同預(yù)緊力的錨桿（索）附加應(yīng)力場(chǎng)分析更加有說(shuō)服力，其附加應(yīng)力等值面如圖1 所示。

圖1 40kN 下錨桿（索）附加應(yīng)力等值面圖

在預(yù)緊力參數(shù)值相等的情況下，錨桿與錨索在托盤(pán)位置出現(xiàn)了附加壓應(yīng)力峰值且附加應(yīng)力向圍巖深處逐漸減小。其中，錨桿的附加壓應(yīng)力值集中在托盤(pán)附近，錨固段幾乎沒(méi)有產(chǎn)生附加拉應(yīng)力；錨索的附加應(yīng)力則快速下降，其錨固段附近出現(xiàn)了附加拉應(yīng)力，十分明顯。在巷道圍巖加固中，附加拉應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生負(fù)作用，故需要避免在錨固段附近存在分離層和巖層分離面[2]。

3.2 不同預(yù)緊力下錨桿（索）的附加應(yīng)力場(chǎng)峰值變化

在10 組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合錨桿（索）產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)形態(tài)圖，對(duì)不同預(yù)緊力的錨桿（索）附加應(yīng)力場(chǎng)峰值進(jìn)行了記錄和整理，并以應(yīng)力峰值來(lái)衡量預(yù)緊力對(duì)附加應(yīng)力場(chǎng)的影響作用，從而明確預(yù)緊力與附加應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系。

通過(guò)錨桿（索）附加應(yīng)力峰值曲線圖可以看出，預(yù)緊力與錨桿附加應(yīng)力場(chǎng)之間存在著正相關(guān)的線性關(guān)系，即隨著預(yù)緊力的增加，錨桿（索）附加應(yīng)力峰值增加。這一研究成果為同條件下增加錨桿（索）預(yù)緊力提高支護(hù)性能提供了可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

4 間排距與錨桿（索）附加應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系試驗(yàn)

為確定間排距與錨桿（索）附加應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系，選取60kN 的錨桿、120kN 的錨索進(jìn)行逐一試驗(yàn)。基本要求如下：在巷道圍巖頂?shù)装暹x擇同一預(yù)緊力的錨桿或錨索，采用相同的布置結(jié)構(gòu)，只允許間排距參數(shù)不同。其具體方案如表2 所示。

表2 錨桿（索）群間排距參數(shù)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)錨桿（索）的6 組試驗(yàn)，明確了間排距與錨桿（索）附加應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系。由于錨桿（索）采用了同樣的間排距參數(shù)，并且對(duì)應(yīng)參數(shù)下其附加應(yīng)力場(chǎng)效果差異性不大，故選取了更為常見(jiàn)的錨桿附加應(yīng)力進(jìn)行規(guī)律分析。試驗(yàn)得到的效果圖如圖2所示。

圖2 不同間排距下附加應(yīng)力場(chǎng)效果等值圖

從圖2 的附加應(yīng)力場(chǎng)等值效果看，當(dāng)錨桿群的間排距為600×600mm 時(shí)，圍巖頂、兩側(cè)以及底板出現(xiàn)了較小的外圍壓力，巷道圍巖形成了均勻連續(xù)的附加壓應(yīng)力區(qū)，能夠保障巷道的穩(wěn)定不變性。而隨著間排距的增加，尤其是1000×1000mm 時(shí)，附加壓應(yīng)力的值正在減小，附加壓應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)薄弱位置，即將出現(xiàn)斷裂，且錨固段的附加拉應(yīng)力區(qū)在巷道兩側(cè)明顯增大，對(duì)巷道支護(hù)的穩(wěn)定性影響較大，不利于長(zhǎng)期支護(hù)。

5 錨索布置方式與錨桿（索）附加應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系

為了確定錨索布置方式與錨桿（索）附加應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系，選取800×800mm 的間排距方案，在錨桿（索）群試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行錨索布置方式的研究?；疽螅涸诒Ｕ项A(yù)緊力、間排距條件一致的情況下，探究錨桿群增加不同錨索布置方式后巷道圍巖附加應(yīng)力場(chǎng)的效果。其具體設(shè)計(jì)方案如表3所示。

表3 錨索布置方式參數(shù)設(shè)計(jì)方案

為了能夠突顯出錨索布置方式的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選定了兩個(gè)對(duì)附加應(yīng)力場(chǎng)作用效果較差的參數(shù)。采用同樣的數(shù)值模擬方式，對(duì)巷道圍巖的附加應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值化處理和分析，得到了對(duì)應(yīng)布置方式的附加應(yīng)力場(chǎng)等值效果圖。通過(guò)比較可知，在錨桿群預(yù)緊力相同的情況下，巷道圍巖的頂?shù)装濉⑾锏纼蓚?cè)的附加拉應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值、范圍大大縮小；巷道圍巖周?chē)母郊訅簯?yīng)力場(chǎng)薄弱點(diǎn)消失，形成了連續(xù)、穩(wěn)定的附加壓應(yīng)力區(qū)[3]。這一變化有效地證明了錨索布置能夠發(fā)揮增強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定性的作用。同時(shí)，在不同錨索布置方案中，“三花”、“五花”都能夠較好地為巷道圍巖頂板提供強(qiáng)大、連續(xù)、均勻的附加壓應(yīng)力，確保巷道綜合應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到新的平衡，而“二二”布置方式則無(wú)法為巷道圍巖頂板提供較大的附加壓應(yīng)力，存在著支護(hù)風(fēng)險(xiǎn)[4]?？傊?，錨索布置方式能夠增加錨桿（索）支護(hù)效果，且“三花”、“五花”布置方式效果較為理想。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

綜采放頂煤工藝具有開(kāi)采速度快、回采擾動(dòng)大、圍巖破碎嚴(yán)重等情況。出于對(duì)煤礦開(kāi)采安全考慮，確定了錨桿預(yù)緊力參數(shù)為60kN，間排距參數(shù)為600×600mm；錨索預(yù)緊力參數(shù)為120kN，布置方案設(shè)計(jì)為“五花”的巷道圍巖支護(hù)方案。此方案應(yīng)用在綜采工作面上下平巷支護(hù)。為證明此支護(hù)方案的有效性，對(duì)上下平巷圍巖的頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭偷淖冃瘟窟M(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。在工作面向前推進(jìn)的同時(shí)，布設(shè)相應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)與工作面相距140m 的距離進(jìn)行了長(zhǎng)期位移監(jiān)測(cè)。在距離工作面100m 內(nèi)，巷道的頂?shù)装搴蛢蓭突緵](méi)有出現(xiàn)變形，隨著距離的縮短，巷道的頂?shù)装迮c兩幫出現(xiàn)了不同程度的變形，尤其在0~40m 之間，圍巖兩幫的累計(jì)偏移量平均超過(guò)200mm，頂?shù)装宓钠屏砍^(guò)150mm。與之前其他支護(hù)方案相比，此方案的偏移量相對(duì)較少，具有控制圍巖變形的作用。

7 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的綜合性研究，明確了巷道圍巖錨桿（索）支護(hù)附加應(yīng)力場(chǎng)與預(yù)緊力、間排距以及錨索布置方式之間的內(nèi)在關(guān)系，為更多的巷道圍巖支護(hù)工作提供了理論依據(jù)和方案指導(dǎo)。具體如下：

（1）錨桿（索）支護(hù)附加應(yīng)力場(chǎng)大小與預(yù)緊力大小正相關(guān)，隨著錨桿（索）預(yù)緊力的增大，附加應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)相應(yīng)增加。

（2）在一定范圍內(nèi)，隨著錨桿間排距的增加，附加應(yīng)力場(chǎng)的壓應(yīng)力程度、區(qū)域連續(xù)性以及支護(hù)影響范圍會(huì)逐漸減小，使附加應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)薄弱位置，影響支護(hù)效果。

（3）錨索布置方式能夠明顯增強(qiáng)錨桿附加應(yīng)力場(chǎng)的支護(hù)效果，擴(kuò)大連續(xù)、均勻的應(yīng)力場(chǎng)區(qū)，能夠?yàn)殄^桿（索）支護(hù)提供強(qiáng)有力的支撐，形成更加穩(wěn)定的綜合應(yīng)力場(chǎng)。