預(yù)緊力及間排距影響下的錨桿(索)附加應(yīng)力場研究

李 鵬

(山西能源學(xué)院，山西省晉中市，030600)

應(yīng)力場是分析巷道圍巖變形與破壞、圍巖與支護體共同作用的關(guān)鍵。錨桿(索)預(yù)緊力和間排距會對其附加應(yīng)力場產(chǎn)生顯著影響。

韋四江等采用相似模擬手段對錨固體強度強化特征進行分析，結(jié)果表明其峰值強度和殘余強度強化系數(shù)與錨桿預(yù)緊力呈正相關(guān)。韋四江等采用數(shù)值模擬手段對錨固體的形成與失穩(wěn)進行研究，得出附加應(yīng)力隨錨桿間距減小而增大，隨預(yù)緊力增大而增大。劉愛卿等經(jīng)過相似模擬對錨桿加固作用進行研究，得出節(jié)理巖體的初期剪切剛度隨著預(yù)緊力提高而增大。李志兵等通過建立力學(xué)模型對預(yù)緊力與預(yù)緊力矩的關(guān)系進行研究，給出了相應(yīng)數(shù)學(xué)表達式。筆者以華燁煤業(yè)5號煤層為研究對象，采用數(shù)值模擬手段，對預(yù)緊力及間排距影響下的錨桿(索)附加應(yīng)力場進行分析研究，研究了單根錨桿(索)附加應(yīng)力場形態(tài)、附加應(yīng)力峰值隨預(yù)緊力變化規(guī)律、錨桿群附加應(yīng)力分布隨間排距變化規(guī)律、錨桿(索)附加應(yīng)力場隨錨桿布置方式變化規(guī)律以及錨桿(索)共同作用機理，對采用最優(yōu)支護方案的巷道進行了現(xiàn)場圍巖變形觀測。

1 模型建立

華燁煤業(yè)5號煤層平均埋深370 m，平均厚度6 m，地層傾角3°～6°，煤體及圍巖軟弱破碎。工作面長度150 m，采用綜采放頂煤工藝，生產(chǎn)能力1.2 Mt/a。根據(jù)地質(zhì)報告內(nèi)容，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立x向(巷道寬度方向)×y向(巷道軸向)×z向(巷道高度方向)=44 m×20 m×43 m的模型，利用局部加密方式劃分網(wǎng)格。圍巖采用莫爾—庫倫模型分析計算，錨桿(索)采用cable單元模擬，并通過pretension關(guān)鍵字施加預(yù)緊力，刪除并重建剛性連接模擬托盤。為研究錨桿(索)附加應(yīng)力場，模型初始條件為：地應(yīng)力賦值為0，重力加速度為0，模型外部面采用限制法向位移。采用group關(guān)鍵字與delete關(guān)鍵字沿煤層(厚度6 m)底板布置寬×高=4 m×3 m的巷道，如圖1所示(圖中綠色模塊為煤層巷道)。巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模型示意圖

巖石名稱容重/g·cm-3抗拉強度/MPa泊松比彈性模量/GPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)中砂巖2.635.130.2923.6212.9130.1砂質(zhì)泥巖2.376.110.3312.037.3326.7粉砂巖2.613.160.2333.929.8723.2泥巖2.322.910.2217.326.5125.35號煤層1.390.370.213.311.3226.1砂質(zhì)泥巖2.535.720.2312.7210.3123.3細粒砂巖2.626.710.3523.67131127.9粉砂巖2.565.230.3130.156.2126.1

2 單根錨桿(索)附加應(yīng)力場

2.1 模擬方案

為研究預(yù)緊力影響下單根錨桿(索)在巷道圍巖中的附加應(yīng)力場，在巷道頂板中部垂直向上打一根錨桿或錨索，進行平衡計算。錨桿的幾何參數(shù)為：?22 mm×2200 mm，錨索的幾何參數(shù)為?20 mm×7000 mm。錨桿預(yù)緊力分別為20 kN、40 kN、60 kN、80 kN和100 kN，錨索預(yù)緊力分別為40 kN、80 kN、120 kN、160 kN和200 kN。

2.2 錨桿(索)附加應(yīng)力場形態(tài)

選取預(yù)緊力均為40 kN的錨桿(索)進行對比分析，其產(chǎn)生的附加應(yīng)力等值面如圖2所示。

圖2 錨桿(索)附加應(yīng)力等值面圖

由圖2可知，在相同預(yù)緊力情況下，錨桿(索)托盤附近附加應(yīng)力峰值相近，但遠離托盤時，錨索附加應(yīng)力降低較快；錨桿(索)錨固段附近出現(xiàn)附加拉應(yīng)力，且錨索附加拉應(yīng)力無論在數(shù)值和范圍上，都顯著較錨桿大；錨桿(索)附加應(yīng)力值均在錨固段尾部(下部)附近接近于0。這說明錨桿(索)產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力集中在托盤附近，并向圍巖深部逐漸減小，可有效抑制圍巖原生裂隙的張開與滑移；對圍巖加固不利的附加拉應(yīng)力集中在錨固段及其上部區(qū)域，應(yīng)避免使此區(qū)域包絡(luò)巖層分隔面。

2.3 預(yù)緊力影響下的錨桿(索)附加應(yīng)力峰值

由于不同預(yù)緊力下錨桿(索)應(yīng)力場形態(tài)相近，選取應(yīng)力峰值作為因變量來描述預(yù)緊力對附加應(yīng)力場的影響，并將其繪入坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 預(yù)緊力影響下的錨桿(索)附加應(yīng)力峰值

由圖3可知，在誤差范圍內(nèi)可認為錨桿(索)附加應(yīng)力峰值隨預(yù)緊力增大而線性增大。這表明預(yù)緊力對發(fā)揮錨桿(索)支護能力是至關(guān)重要的，增大預(yù)緊力可在較低成本條件下大幅提升錨桿(索)支護能力。

3 間排距影響下的錨桿附加應(yīng)力場

3.1 模擬方案

為研究間排距影響下錨桿在巷道圍巖中引起的附加應(yīng)力場，固定錨桿預(yù)緊力為60 kN，錨索預(yù)緊力為120 kN，對間排距分別為600 mm×600 mm、800 mm×800 mm和1000 mm×1000 mm的3種方案進行分析。

3.2 模擬結(jié)果

不同間排距影響下的錨桿附加應(yīng)力場如圖4所示。由圖4可知，3種間排距方案下，錨桿均在圍巖淺部形成附加壓應(yīng)力區(qū)，但均勻程度及連續(xù)程度隨間排距增大而減小；根據(jù)應(yīng)力等值線，錨桿在圍巖中引起的附加應(yīng)力場范圍隨間排距增大而不斷減小；3種方案下，錨桿生成的拉應(yīng)力區(qū)(白色等值線范圍內(nèi))均包絡(luò)了巖層分隔面，這對抑制頂板離層起到了相反的作用，對巷道支護極為不利。

圖4 不同間排距影響下的錨桿附加應(yīng)力場

4 錨桿(索)附加應(yīng)力場

4.1 模擬方案

為研究錨索布置方式對錨桿(索)附加應(yīng)力場的影響，固定錨桿間排距為800 mm×800 mm。對錨索布置方式分別為“二二”、“三花”和“五花”的3種方案進行分析。

4.2 模擬結(jié)果

不同錨索布置方式的錨桿(索)附加應(yīng)力場如圖5所示。

圖5 不同錨索布置方式的錨桿(索)附加應(yīng)力場

對比圖5與圖4可知，3種錨索布置方案下，錨索均顯著擴大了錨桿產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)，且范圍隨錨索密度(“五花”>“二二”>“三花”)增大而不斷增大；“二二”布置與其他方案相比，巷道頂板中部壓應(yīng)力較小，而巷道頂板中部的變形破壞往往最為顯著，因此這種方案較差；3種方案下，錨索均消除了錨桿錨固段附近的附加拉應(yīng)力，而使此區(qū)域進入壓應(yīng)力區(qū)，這表明錨索可顯著減小錨桿尾部會差生拉應(yīng)力的弊端，對抑制頂板離層、維護巷道圍巖穩(wěn)定是必不可少的。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

綜合考慮破碎圍巖、強烈回采擾動等情況，以及礦方對安全生產(chǎn)的要求，采用間排距為600 mm×600 mm的錨桿(預(yù)緊力60 kN)，“五花”布置(預(yù)緊力100 kN)方案對50301工作面上下平巷進行支護，并對軌道平巷圍巖變形量進行監(jiān)測，結(jié)果如圖6所示。

圖6 巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測結(jié)果顯示，測站距工作面<40 m時，巷道表面位移量快速增大。自測站建立時算起，測站距工作面40 m時，軌道平巷頂?shù)装逡平繛?2 mm，兩幫移近量為73 mm；測站距工作面0 m時(即該處巷道即將報廢時)，頂?shù)装逡平繛?39 mm，兩幫移近量為337 mm。這表明該巷道受采動強烈，但所采用的方案將圍巖變形控制在了較小的范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

(1)單根錨桿(索)產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力集中在托盤附近，并向圍巖深部逐漸減小，可有效抑制圍巖原生裂隙的張開與滑移；產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力集中在錨固段附近及其上部區(qū)域，應(yīng)避免使此區(qū)域包絡(luò)巖層分隔面。

(2)在誤差范圍內(nèi)可認為錨桿(索)附加應(yīng)力峰值隨預(yù)緊力增大而線性增大。增大預(yù)緊力可在較低成本條件下大幅提升錨桿(索)支護能力。

(3)錨桿群在圍巖淺部形成附加壓應(yīng)力區(qū)，其均勻程度、連續(xù)程度以及影響范圍隨間排距增大而減小。

(4)錨索可顯著擴大錨桿產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力區(qū)，并消除錨桿錨固段附近的附加拉應(yīng)力，而使此區(qū)域進入壓應(yīng)力區(qū)，這對抑制頂板離層、維護巷道圍巖穩(wěn)定是十分重要的。