淺析錨桿錨索聯(lián)合支護數(shù)值模擬及現(xiàn)場應(yīng)用

史繼武 梁俊嶺 鞠路超

（山西朔州華美奧興陶煤業(yè)有限公司山西 朔州 036002）

山西朔州華美奧興陶煤礦煤層較淺，但因下部煤層的巷道布置在上部煤層的煤柱下方，巷道掘進時壓力顯現(xiàn)較為明顯，巷道已經(jīng)發(fā)生變形、開裂、片幫等破壞現(xiàn)象,原因是巷道沿煤層底板掘進，巷道頂板及兩幫為煤體，煤質(zhì)較脆易開裂以及受到強大的地應(yīng)力影響。這種現(xiàn)象極易造成安全事故的發(fā)生及延緩施工進度。盡管已經(jīng)增加支護強度和密度，但穩(wěn)定性還是較難繼續(xù)維持。

1 分析錨桿錨索聯(lián)合支護機理理論

圍巖發(fā)生移動變形時，可以采用錨桿(索)產(chǎn)生的錨固力結(jié)合錨固劑附著在圍巖上，從而阻止繼續(xù)變形。不同的錨固方式影響荷載在錨桿中的傳遞。因此，分析錨固力和錨桿支護問題要基于圍巖和圍巖變形進行分析，研究圍巖變形的問題也需要結(jié)合錨固力進行。研究錨桿與圍巖相互作用關(guān)系就需要符合這一規(guī)律：當(dāng)錨固區(qū)圍巖出現(xiàn)離層、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴容變形與破壞的情況,可使用錨桿作用控制，保持圍巖的受壓狀態(tài),避免圍巖發(fā)生彎曲變形與拉伸、剪切破壞,使錨固區(qū)的完整性得到最大化的保護，使錨固區(qū)圍巖整體強度得到增強。若想避免錨固區(qū)外巖層發(fā)生離層,可以在錨固區(qū)形成剛度大的次生承載結(jié)構(gòu)的同時，改變圍巖深部的應(yīng)力分布狀況。

2 數(shù)值模擬錨桿、錨索聯(lián)合支護效果

2.1 建立模型

建立模型結(jié)合Mohr-Coulomb強度原則,結(jié)合巖石物理力學(xué)參數(shù)進行計算見表1.模型按三維思考,結(jié)構(gòu)取半研究是因為參考了結(jié)構(gòu)的對稱性。設(shè)計一種和掘進機配套，既能起到臨時支護作用又能安裝錨桿的機構(gòu)，在掘進的同時完成巷道的支護，節(jié)省時間、提高了勞動效率。巷道的建設(shè)方案主要內(nèi)容有：斷面為矩形斷面,巷道的高和寬分別以4800m和3200m為標(biāo)準(zhǔn)。巷道開挖時，要考慮到其對邊界條件的影響,將模型長、寬、高的標(biāo)準(zhǔn)訂為25m、50m、38m。分別在模型的兩側(cè)將水平位移、底板的垂直位移進行限制,頂面不做要求。水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分別為30MPa和25MPa。錨桿采用的全螺紋等強度錨桿要達到Φ18mm×2200mm的標(biāo)準(zhǔn),錨索采用的鋼絞線要達到Φ17.8mm×4150mm的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 分析計算數(shù)值模擬的結(jié)果

研究巷道頂板下沉值、兩幫相對收斂和底臌的情況，就需要結(jié)合錨桿間距和錨索數(shù)量的不同組合，將數(shù)值模擬分為35組。那么就可以發(fā)現(xiàn)巷道在開挖之后,圍巖因應(yīng)力的釋放，開始重新分布,致使圍巖出現(xiàn)變形甚至破壞,如頂板下沉、兩幫內(nèi)擠和嚴重的底臌。巷道頂板下沉量、兩幫相對收斂值和底板位移量的減小主要是因為錨桿和錨索數(shù)量的增加。在錨桿間距分別為600、800、1000和1200mm時,增加錨索數(shù)量,巷道變形減小效果差;巷道發(fā)生變形的情況比較大主要是因為錨桿間排距較大。因此，得出結(jié)論，要想使得錨桿錨索聯(lián)合作用效果處于最佳的狀態(tài)，需要把錨桿間距在保持在600～1000mm之間,錨索數(shù)量為1.5根（每米巷道）。

2.3 相比較現(xiàn)場實測結(jié)果的分析

現(xiàn)場支護形式主要有:

錨桿支護需要采用高強度錨桿,如Φ18mm×2200mm的全螺紋錨桿，保持800mm×800mm的間排距,每條錨桿采用1只CK2350樹脂藥卷。金屬網(wǎng)由10號鉛絲編制的菱形網(wǎng),保持4300mm×2200mm的規(guī)格,以及50mm×50mm的網(wǎng)格。同時需要采用W形鋼帶,排距為800mm,以及Φ17.8mm×4150mm的鋼絞線,3塊為一孔的CK2350藥卷。

2.4 錨桿錨索聯(lián)合支護作用

（1）錨桿錨索聯(lián)合支護使錨桿和被錨固巖體相互作用，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，和鋼棚共同承擔(dān)圍巖壓力，起到了加強支護的作用。（2）錨桿錨索聯(lián)合支護可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)，改善被錨固圍巖的力學(xué)性能。（3）錨桿錨索聯(lián)合支護可提高錨固區(qū)內(nèi)巖體的峰值強度和殘余強度，提高錨固強度后，能控制圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)的發(fā)展，巷道周圍塑性區(qū)、破碎區(qū)的范圍和巷道的表面位移有所減小，有助于確保巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

實踐證明，不同的錨桿間距和錨索數(shù)量的組合方式，錨桿錨索聯(lián)合支護的效果也有明顯不同。在煤礦應(yīng)用中，合理、經(jīng)濟的組合錨桿間距和錨索數(shù)量尤為重要，只有合理選取支護形式和支護參數(shù)，才能使錨桿錨索聯(lián)合支護效果最為顯著。

[1]孫曉明,楊軍,曹伍富.深部回采巷道錨網(wǎng)索耦合支護時空作用規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2007(05)