巷道錨桿支護(hù)圍巖加固體穩(wěn)定性研究

張雪峰

（西山煤電西曲礦，山西 古交030200）

引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，我國(guó)對(duì)能源消耗的需求越來(lái)越大，雖然眾多綠色能源的出現(xiàn)代替了化石能源，但由于我國(guó)綠色能源處于起步階段，仍有較長(zhǎng)的路要走，所以化石能源仍是我國(guó)主要消耗的能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)煤炭資源有9成需要掘進(jìn)巷道進(jìn)行開(kāi)采，所以巷道的穩(wěn)定性直接決定了煤層開(kāi)采的安全性。近年來(lái)錨桿支護(hù)技術(shù)不斷進(jìn)步，逐步成為我國(guó)巷道支護(hù)的主流。錨桿支護(hù)具有成本低、支護(hù)效率高、斷面利用率高、前期準(zhǔn)備期短等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。此前眾多學(xué)者對(duì)錨桿支護(hù)巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)行過(guò)一定的研究[3-4]。本文通過(guò)建立支護(hù)后的巷道力學(xué)模型對(duì)錨桿支護(hù)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)不同錨桿參數(shù)下圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為礦山圍巖支護(hù)提供一定的借鑒與參考。

1 圍巖加固支護(hù)參數(shù)影響分析

支護(hù)合理與否可以通過(guò)礦井開(kāi)采是否會(huì)造成圍巖失穩(wěn)及影響礦井生產(chǎn)安全來(lái)衡量，當(dāng)井工開(kāi)采對(duì)巷道圍巖等無(wú)影響時(shí)認(rèn)為支護(hù)合理，如果支護(hù)后圍巖的穩(wěn)定性仍較差則認(rèn)為支護(hù)不合理。對(duì)于一定埋深的圍巖，在無(wú)采動(dòng)影響時(shí)，圍巖處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，開(kāi)采圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二向應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)需要對(duì)圍巖進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)。首先對(duì)端部錨桿支護(hù)下圍巖的影響參數(shù)進(jìn)行研究，首先給定巷道半徑3 m，埋深為600 m，圍巖的初始地應(yīng)力設(shè)定為8 MPa，圍巖的巖性分別為彈性模量E=5×103MPa、泊松比μ=0.3、內(nèi)摩擦角30°，錨桿的支護(hù)參數(shù)分別為錨桿直徑20 mm、錨桿長(zhǎng)度2.4 m、錨桿的彈性模量2.1×105MPa、屈服極限235 MPa，設(shè)置間排距為1.0 m×0.8 m，錨桿外露、自由端及錨固長(zhǎng)度依次為0.1 m、2 m、0.3 m。利用MATLAB軟件對(duì)不同力學(xué)參數(shù)下的影響進(jìn)行分析。圍巖加固體的彈性模量隨間排距的變化曲線如圖1所示。

圖1 圍巖加固體的彈性模量隨間排距的變化曲線

從圖1-1可以看出，圍巖加固體彈性模量隨著錨桿長(zhǎng)度的增大逐步減小，隨著錨桿間距的增大而逐步減小。在錨桿間距為1.2 m的情況下，錨桿長(zhǎng)度為2 m時(shí)，圍巖加固體彈性模量為5.09 GPa，錨桿長(zhǎng)度增大至4 m時(shí)，加固體彈性模量減小至5.06 GPa；在錨桿間距減小至0.8 m的情況下，錨桿長(zhǎng)度為2 m時(shí)，圍巖加固體彈性模量為5.11 GPa，錨桿長(zhǎng)度增大至4 m時(shí)，加固體彈性模量減小至5.08 GPa；在錨桿間距減小至0.6 m的情況下，錨桿長(zhǎng)度為2 m時(shí)，圍巖加固體彈性模量為5.11 GPa，錨桿長(zhǎng)度增大至4 m時(shí)，加固體彈性模量減小至5.08 GPa。從圖1-2可以看出，隨著錨桿排距的增大圍巖加固體的彈性模量逐步減小，可以看出錨桿越密，圍巖加固體的彈性模量越大，但根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知錨桿支護(hù)不能無(wú)限制地改善加固體的彈性模量，所以適當(dāng)?shù)販p小錨桿布置間排距可以有效提升圍巖穩(wěn)定性。

圍巖加固體的泊松比隨間排距的變化曲線如下頁(yè)圖2所示。其中Sr為錨桿間距，Sl為錨桿排距。

從圖2-1可以看出，圍巖加固體泊松比隨著錨桿長(zhǎng)度的增大逐步增大，隨著錨桿間距的增大而逐步增大。在錨桿間距為1.2 m的情況下，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2 m時(shí)，圍巖加固體泊松比為0.278，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大至4 m時(shí)，加固體泊松比增大至0.285；在錨桿間距減小至0.8 m的情況下，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2 m時(shí)，圍巖加固體泊松比為2.74，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大至4 m時(shí)，加固體泊松比增大至0.283；在錨桿間距減小至0.6 m的情況下，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2 m時(shí)，圍巖加固體泊松比為0.263，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大至4 m時(shí)，加固體泊松比增大至0.275。從圖2-2可以看出，隨著錨桿排距的增大圍巖加固體的泊松比逐步增大，可以看出錨桿越密，圍巖加固體的泊松比越小。

圖2 圍巖加固體的泊松比隨間排距的變化曲線

圍巖加固體的黏聚力隨間排距的變化曲線如圖3所示。

圖3 圍巖加固體的黏聚力隨間排距的變化曲線

從圖3-1可以看出，圍巖加固體黏聚力隨著錨桿長(zhǎng)度的增大逐步減小，隨著錨桿間距的增大而逐步減小。在錨桿間距為1.2 m的情況下，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2 m時(shí)，圍巖加固體黏聚力為1.61 MPa，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大至4 m時(shí)，加固體黏聚力減小至1.59 MPa；在錨桿間距減小至0.8 m的情況下，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2 m時(shí)，圍巖加固體黏聚力為1.64 MPa，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大至4 m時(shí)，加固體黏聚力減小至1.61 MPa；在錨桿間距減小至0.6 m的情況下，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2 m時(shí)，圍巖加固體黏聚力為1.68 MPa，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大至4 m時(shí)，加固體黏聚力減小至1.65 MPa。從圖3-2可以看出，隨著錨桿排距的增大圍巖加固體的黏聚力逐步減小，可以看出錨桿越密，圍巖加固體的黏聚力越大，但圍巖加固體的黏聚力不是線性增大的，存在一定的合理范圍，當(dāng)超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，黏聚力不增大反而減小。

2 圍巖加固穩(wěn)定性分析

對(duì)端部錨桿錨固穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究，錨桿長(zhǎng)度及錨桿間排距對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響曲線如圖4所示。

圖4 錨桿長(zhǎng)度及錨桿間排距對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響曲線

從圖4可以看出，隨著錨桿長(zhǎng)度的增大圍巖的穩(wěn)定性得到一定的提升，且穩(wěn)定系數(shù)曲線越平緩。在其余條件不變的情況下，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度小于1.5 m時(shí)，圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)為零，此時(shí)由于支護(hù)強(qiáng)度不夠使得圍巖加固體全部轉(zhuǎn)化為塑性變形，巷道極易發(fā)生失穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)錨桿的長(zhǎng)度增大至4.2 m時(shí)，圍巖穩(wěn)定系數(shù)增大至0.615，圍巖穩(wěn)定性得到了有效的提升。隨著錨桿間排距的增大，圍巖穩(wěn)定性系數(shù)逐步減小，當(dāng)錨桿間排距從0.6 m×0.6 m增大至1.2 m×1.2 m時(shí)圍巖穩(wěn)定性系數(shù)約降低了0.057。

對(duì)端部錨桿支護(hù)圍巖力學(xué)屬性與圍巖穩(wěn)定性關(guān)系進(jìn)行分析，圍巖力學(xué)參數(shù)對(duì)巖層穩(wěn)定性影響曲線如圖5所示。

圖5 圍巖力學(xué)參數(shù)對(duì)巖層穩(wěn)定性影響曲線

從圖5可以看出，隨著巖石彈性模量的不斷增大，巖石穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)巖石彈性模量為1 GPa時(shí)，此時(shí)巖石穩(wěn)定系數(shù)為0.211，當(dāng)巖石的彈性模量增大至2 GPa時(shí)圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)增大至0.216。當(dāng)圍巖巖性較軟時(shí)，錨桿充分發(fā)揮其支護(hù)作用，使得圍巖加固體的力學(xué)參數(shù)有了大幅度的提升，但當(dāng)圍巖的變形過(guò)大時(shí)，此時(shí)錨桿達(dá)到屈服極限，支護(hù)作用消失，圍巖的穩(wěn)定性喪失，發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。隨著巖石泊松比的增大，圍巖加固體的穩(wěn)定性系數(shù)逐步減小，當(dāng)巖石的泊松比為0.25時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)為0.23，當(dāng)巖石的泊松比增大至0.35時(shí)，巖石穩(wěn)定系數(shù)降低至0.206。

3 結(jié)論

1）圍巖加固體彈性模量隨著錨桿長(zhǎng)度的增大逐步減小，隨著錨桿間排距的增大而逐步減小，錨桿布置越密，圍巖加固體的彈性模量越大。

2）圍巖加固體泊松比隨著錨桿長(zhǎng)度的增大逐步增大，隨著錨桿間排距的增大而逐步增大。圍巖加固體黏聚力隨著錨桿長(zhǎng)度的增大逐步減小，隨著錨桿間排距的增大而逐步減小。

3）隨著錨桿長(zhǎng)度及彈性模量的增大，圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)逐步增大，隨著泊松比的增大圍巖穩(wěn)定性系數(shù)降低。