巷道錨桿錨索預(yù)緊力協(xié)同支護的研究?

郝長勝尚 東孫 明張 培陳 政

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010）

巷道錨桿錨索預(yù)緊力協(xié)同支護的研究?

郝長勝1尚 東1孫 明1張 培1陳 政2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010）

以現(xiàn)有支護形式、支護構(gòu)件和協(xié)同支護理論為基礎(chǔ)，在不考慮原巖應(yīng)力的條件下，應(yīng)用FLAC3D模擬軟件對錨桿、錨索不同預(yù)緊力在圍巖中引起的應(yīng)力場值和范圍進行模擬，以尋求二者合理預(yù)緊力匹配值。結(jié)果表明當(dāng)錨桿、錨索預(yù)緊力值匹配分別為40/150 k N和60/200 k N時，兩者達到協(xié)同支護。協(xié)同支護不僅縮短圍巖穩(wěn)定周期，提高掘進效率，而且增大巷道圍巖內(nèi)壓應(yīng)力值、擴大壓應(yīng)力區(qū)范圍，有效降低巷道圍巖收斂值。

巷道支護 錨桿索支護 協(xié)同支護 預(yù)應(yīng)力 數(shù)值模擬

我國煤炭企業(yè)支護成本高的主要原因:一是受錨桿預(yù)緊力低影響，支護結(jié)構(gòu)在巷道圍巖自身失去支護能力時才產(chǎn)生作用，未將支護系統(tǒng)與巷道圍巖系統(tǒng)作為一個完整的體系進行考慮，致使增加錨桿支護密度；二是一味追求高強度、高剛度的支護構(gòu)件，并未考慮各支護構(gòu)件之間協(xié)同作用及憑經(jīng)驗導(dǎo)致支護密度不合理，普遍偏大，進一步提高了支護成本。為了降低支護成本、提高效率和增加煤炭企業(yè)經(jīng)濟效益，眾多學(xué)者對錨桿、錨索協(xié)同支護進行研究。已有研究表明相比于普通支護，協(xié)同支護技術(shù)可以有效降低頂板和兩幫變形量。因錨桿、錨索預(yù)緊力對巷道圍巖影響程度最為顯著，即錨桿、錨索預(yù)緊力值匹配是否合理將作為是否協(xié)同支護的重要參考指標(biāo)，所以筆者以錨桿、錨索預(yù)緊力值為研究對象，在保證巷道圍巖絕對穩(wěn)定前提下，充分發(fā)揮錨桿、錨索支護作用與材料性能，減少支護材料的使用，達到降低支護成本和提高巷道掘進效率目的。

1　錨桿、錨索預(yù)緊力協(xié)同支護原理

協(xié)同支護是指對各支護構(gòu)件中各因素的考慮，如錨桿、錨索預(yù)緊力等，合理匹配各支護構(gòu)件的各因素，充分發(fā)揮各構(gòu)件的作用與性能，實現(xiàn)主動支護，所產(chǎn)生的總力量遠大于各支護構(gòu)件力量總和 ，即為1+1＞2的支護效果。協(xié)同支護被分為廣義協(xié)同支護和狹義協(xié)同支護。廣義協(xié)同支護是指包括圍巖、環(huán)境與支護體的協(xié)同效應(yīng)、不同支護體的協(xié)同效應(yīng)以及同一支護體支護參數(shù)間的協(xié)同效應(yīng)。而本文暫時考慮的是不同錨桿、錨索預(yù)緊力值協(xié)同作用，即狹義協(xié)同支護。

錨桿、錨索預(yù)緊力協(xié)同支護是協(xié)同支護的重要組成部分，二者之間的協(xié)同，不僅要達到預(yù)緊力值之間的協(xié)同，而且在作用時機即錨桿、錨索預(yù)緊力對圍巖的作用時機也要達到協(xié)同。

首先，錨桿、錨索預(yù)緊力值達到協(xié)同。巷道開挖后，預(yù)緊力錨桿錨固頂板形成組合梁結(jié)構(gòu)，改變頂板受力狀態(tài)和提高支護強度。然后利用錨索的懸吊作用將錨固體承載結(jié)構(gòu)傳到堅硬頂板中，使得集中應(yīng)力向頂板深部、穩(wěn)定處轉(zhuǎn)移，從而達到穩(wěn)定巷道圍巖的目的。

其二，錨桿、錨索作用時機達到協(xié)同。由于錨索的延伸量遠小于巷道圍巖變形量，因而在巷道開挖后，首先安裝預(yù)緊力錨桿，提高圍巖抗拉、抗壓強度，但允許圍巖有一定形變，釋放能量。在圍巖自穩(wěn)定極限達到之前和剩余形變量小于錨索允許的延伸量時，安裝預(yù)緊力錨索，從而避免預(yù)緊力錨桿、錨索單獨支護，進一步縮小圍巖形變量，最終產(chǎn)生1+1＞2協(xié)同支護效果。

2　錨桿錨索預(yù)緊力大小匹配模擬

2.1模擬方案

在不考慮原巖應(yīng)力的條件下，應(yīng)用有限差分計算軟件Fl AC3D對錨桿、錨索預(yù)緊力引起的應(yīng)力場—錨桿、錨索預(yù)緊力場進行模擬，通過在巷道圍巖中形成的壓應(yīng)力值和壓應(yīng)力場范圍尋求二者合理預(yù)緊力匹配值。巷道斷面為矩形，斷面尺寸為3000 mm×2000 mm（寬×高），巷道直接頂、基本頂分別為粉砂巖、泥巖，平均厚度分別為3.26 m和30.85 m。巷道布置在煤層中，沿頂板掘進。直接底為泥巖，平均厚度為6.73 m，煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1。計算模型尺寸為20 m×10 m× 30 m（長×寬×高），并分別固定x、y方向上前后和左右端面，固定z方向上的底面。具體支護方案為錨桿間排距為750 mm×750 mm、錨索間排距為1000 mm×1000 mm時，錨桿預(yù)緊力分別為40 k N、60 k N，錨索預(yù)緊力分別為50 k N、100 k N、150 k N、200 k N，將不同錨桿、錨索預(yù)緊力進行方案匹配并進行模擬，共需模擬8次。

表1　煤層頂?shù)装鍘r性

2.2模擬及結(jié)果分析

在巷道圍巖中，高壓應(yīng)力值和大范圍壓應(yīng)力區(qū)是實現(xiàn)良好支護效果的基礎(chǔ)，而錨桿、錨索預(yù)緊力協(xié)同支護是實現(xiàn)大范圍壓應(yīng)力區(qū)的根本。為實現(xiàn)錨桿、錨索協(xié)同支護，尋求合理的預(yù)緊力匹配方案，對不同的錨桿、錨索預(yù)緊力匹配不同方案進行模擬，具體模擬結(jié)果見圖1和圖2，圖中黑色部分為拉應(yīng)力區(qū)，其他色部分為不同壓應(yīng)力值的壓應(yīng)力區(qū)。

圖1顯示，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為40 k N、錨索預(yù)緊力為50 k N時，在巷道頂板中，錨桿、錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)已完全覆蓋了錨桿錨固區(qū)，但位于錨桿端頭附近出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力力區(qū)，起始位置約在錨索的1/2處，并沿著錨索延伸至頂板深處。隨著錨索預(yù)緊力的增大，巷道頂板中拉應(yīng)力區(qū)范圍不斷減小，而壓應(yīng)力區(qū)范圍不斷增大。特別是當(dāng)錨索預(yù)緊力增大至150 k N時，壓應(yīng)力區(qū)基本覆蓋了模擬巷道的整個頂板。繼續(xù)增大錨索預(yù)緊力至200 k N時，巷道頂板壓應(yīng)力區(qū)范圍基本無明顯變化，存在著預(yù)緊力浪費現(xiàn)象，即而存在支護材料的浪費，該匹配方案不合理。因此，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為40 k N，錨索預(yù)緊力為150 k N時，錨桿、錨索達到協(xié)同支護，充分發(fā)揮了錨桿、錨索支護性能。

圖1　錨桿預(yù)緊力40 k N時，與錨索匹配方案模擬結(jié)果圖

圖2　錨桿預(yù)緊力60 k N時，與錨索匹配方案模擬結(jié)果圖

圖2顯示，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為60 k N，錨索預(yù)緊力為50 k N時，在巷道頂板內(nèi)形成一定范圍的壓應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)。當(dāng)錨索預(yù)緊力增大至100 k N時，巷道頂板拉應(yīng)力區(qū)范圍明顯縮小，而壓應(yīng)力區(qū)范圍增大，有效提高巷道頂板穩(wěn)定性，支護效果顯著增強。隨著錨索預(yù)緊力的不斷增大，巷道頂板內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū)范圍不斷減小，壓應(yīng)力區(qū)范圍不斷增大。當(dāng)錨索預(yù)緊力達到200 k N時，巷道頂板內(nèi)壓應(yīng)力區(qū)基本覆蓋了整個巷道頂板。繼續(xù)增大錨索預(yù)緊力，對巷道頂板內(nèi)的壓應(yīng)力區(qū)范圍增幅變化影響較小，支護效果變化不明顯。因而可得，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為60 k N與錨索預(yù)緊力為200 k N匹配時，錨桿、錨索達到協(xié)同支護。

當(dāng)錨索預(yù)緊力相同時，隨著錨桿預(yù)緊力的增大，巷道頂板內(nèi)拉應(yīng)力區(qū)范圍并未縮小，反而出現(xiàn)增大現(xiàn)象，充分說明當(dāng)錨索預(yù)緊力一定時，與其匹配的錨桿預(yù)緊力并非越大越好。只有當(dāng)錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案合理、達到協(xié)同支護時，在巷道頂板內(nèi)才能形成大范圍的壓應(yīng)力區(qū)，錨桿、錨索支護性能才能充分發(fā)揮，有效控制巷道圍巖的形變量，減少支護材料浪費，達到降低支護成本的目的，同時協(xié)同支護也是支護的本質(zhì)。

3　工程試驗

3.1巷道支護方案

陜西彬縣下溝煤礦ZF301工作面回風(fēng)巷原支護方式為錨桿、錨索聯(lián)合支護，錨桿直徑為16 mm，錨桿長度1600 mm，錨索直徑17.8 mm，錨索長度6150 mm，錨桿、錨索所提供的原預(yù)緊力為30/150 k N。為了得到錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案為40/150 k N和60/200 k N的協(xié)同支護效果，在陜西彬縣下溝煤礦ZF301工作面回風(fēng)巷300～350 m和1200～1250 m處進行工程實踐。考慮到錨桿、錨索預(yù)緊力值與強度、剛度的協(xié)同性，因而選擇不同的支護參數(shù)，具體的巷道斷面支護參數(shù)與支護方式見圖3。

3.2支護效果分析

對兩種支護方案的試驗巷道和原支護方案的原支護巷道（原預(yù)緊力支護巷道）圍巖收斂量進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖4。

從圖4中可以看到，當(dāng)錨桿、錨索提供不同預(yù)緊力時，對巷道圍巖變形趨勢基本不產(chǎn)生影響，基本呈現(xiàn)先增后減最終達到穩(wěn)定趨勢。相比于原支護方案，錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案為40/150 k N時，巷道圍巖收斂值較小，而在匹配方案為60/ 200 k N，圍巖變形量最小，約250 mm。巷道圍巖發(fā)生形變至達到穩(wěn)定時，原預(yù)緊力大約需要30 d左右，而預(yù)緊力為40/150 k N時，約在25 d達到穩(wěn)定，60/100 k N僅需15～18 d，大大縮短穩(wěn)定周期。因而可得，巷道圍巖變形基本趨勢不受錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案的影響，但對巷道圍巖收斂值大小影響較為嚴重。增加錨桿預(yù)緊力并提供與該預(yù)緊力相匹配的錨索預(yù)緊力、錨桿強度與剛度時，不僅可以減小巷道圍巖收斂值，有效提高巷道圍巖穩(wěn)定性，同時也可以縮短圍巖變形周期，提高掘進效率，為該工作面后期巷道支護材料的選型提供合理的科學(xué)依據(jù)。

圖3　錨桿—錨索預(yù)緊力最佳匹配支護方案

圖4　巷道圍巖收斂值關(guān)系圖

4　結(jié)論

（1）錨桿、錨索預(yù)緊力協(xié)同支護是以合理預(yù)緊力值匹配為研究對象，其目的是在充分發(fā)揮錨桿、錨索各支護構(gòu)件的性能與作用，從而產(chǎn)生1+1＞2的支護效果，降低支護成本。

（2）錨桿預(yù)緊力值為40 k N應(yīng)與錨索預(yù)緊力為150 k N進行匹配，而錨桿預(yù)緊力值為60 k N與錨索預(yù)緊力值為200 k N，協(xié)同性較好。

（3）當(dāng)錨索預(yù)緊力相同時，錨桿預(yù)緊力越大，頂板壓應(yīng)力區(qū)范圍并不隨之增大。只有當(dāng)錨桿、錨索預(yù)緊力達到協(xié)同支護時，巷道頂板壓應(yīng)力區(qū)范圍較廣，基本覆蓋頂板區(qū)域，有利于充分發(fā)揮支護材料的支護作用，避免支護材料浪費。

（4）不同錨桿、錨索預(yù)緊力匹配，對巷道圍巖變化趨勢沒有影響，但對變形量影響較大。當(dāng)錨桿、錨索預(yù)緊力值達到協(xié)同時，不僅可以有效控制巷道圍巖變形量，提高巷道圍巖穩(wěn)定性，同時也縮短了圍巖變形周期，大大提高掘進效率。

［1］ 張農(nóng)，高明仕.煤巷高強預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)與應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004（5）

［2］ 馬其華，樊克恭，郭世平等.錨桿支護技術(shù)發(fā)展前景與制約因素［J］.中國煤炭，1998（5）

［3］ 劉剛，龍景奎，劉學(xué)強等.巷道穩(wěn)定的協(xié)同學(xué)原理及應(yīng)用技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2012（37）

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［8］ 王金華，康紅普，高富強.錨索支護傳力機制與應(yīng)力分布的數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報，2008（1）

［9］ 彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007

（責(zé)任編輯 張毅玲）

Research on cooperating support of anchor bolts and cables with pretightening force for roadway

Hao Changsheng1，Shang Dong1，Sun Ming1，Zhang Pei1，Chen Zheng2
（1.School of Mining and Coal Industry，Inner Mongolia University of Science&Technology，Baotou，Inner Mongolia 014010，China；2.Research Institute of Mining，Inner Mongolia University of Science&Technology，Baotou，Inner Mongolia 014010，China）

Based on existing supporting form，supporting components and theory of cooperating support，without regard to stress of primary rock，numerical simulation on value and range of stress field in surrounding rock caused by different pretightening forces of anchor bolts and cables was performed by using software FLAC 3D，which was to study the reasonable matching value of pretightening forces of bolts and cables.The results showed that，when the pretighening force values of bolts and cables were respectively 40k N and 150k N or respectively 60k N and 200k N，the two reached cooperating support.The cooperating support not only shortened the stability cycle of surrounding rock and improved driving efficiency，but also increased value and range of surrounding rock＇s pressure stress and reduced convergence value of roadway surrounding rock.

roadway support，anchor bolt-cable support，cooperating support，pretension，numerical simulation

TD353

A

?內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目（S20151012708）

郝長勝（1963-）男，內(nèi)蒙古包頭人碩士生導(dǎo)師，教授，主要從事采礦系統(tǒng)工程、煤礦地下礦開采方面的研究。