煤礦巷道圍巖應力場分析及變形控制技術研究

侯晉剛

（晉能控股煤業集團掌石溝煤礦， 山西 高平 048400）

引言

對煤層開采而言，巷道支護是其最主要的技術，其用途可以把圍巖變形減小。現在，由于礦井結構不同，所以使用的錨桿支護方式也不同，錨桿支護方式的取得與相應的應用性是以經驗計算與圍巖分類為基礎、以理論計算措施為基礎、基于實施場地所監測到的數據。在本文中，經過選取數值模擬軟件來研究在支護參數不同時巷道圍巖的應力場分布，并提出巷道支護的計劃，給礦井生產安全性提供了根據。

1 分析數值模擬

數值模擬軟件能夠完支護參數不同時應力場的計算與分布，分析在錨桿錨固方式不同時圍巖的應力場，圖1 就是其分布圖。

圖1 不同錨桿錨固應力場分布云圖

不同錨桿錨固應力場分布云圖如圖1 所示，在圖1 中能夠發現，應力分布云圖由于不同的支護方法而明顯不同。當支護選取端部錨固時，錨桿有非常廣的作用，可是應力在其自由段的中心處比較小；在選取加長錨固的時候，就應力的作用而言，端部錨固的范圍大于現在錨桿的范圍，可是后者的應力區域比前者的厚度增厚；在選取全長錨桿進行支護時，由于錨桿的作用區域不大，所以導致減小了應力區域的厚度。經過比較能夠得知，端部錨固方法比加長錨固與全長錨固的錨固成效要好。在固化樹脂錨固劑之后，預應力恰當的上升，就能顯著改進除端部錨固之外的兩種錨固方式錨桿進行支護的成效。經過選取此結構，能夠把錨桿的長度適當的減少。

模擬錨桿錨固不同時的應力場分布云圖，圖2就是所取的結果。

如圖2 所示，由于頂板上的角錨桿的不同，所以其角度也會不同，會有非常顯著的應力場分布差異，可是還有相同的地方。在中部錨桿和角錨桿產生的應力區域有重復區域發生時，在頂板的位置所形成的應力范圍比較廣、比較厚，錨固區中本范圍所占面積的比例非常大，在這時，對錨桿進行支護的成效最佳。在錨桿角度是下降走向時，中部錨桿與角錨桿所產生的壓應力區有非常明顯的重疊。在圖2-3 中能夠發現，角錨桿的角度與壓應力的重疊范圍呈反比，所以能夠發現，在用錨桿支護巷道時，圖2-1 中的這樣分布是最佳的，即為垂直分步，按照實際情況，保證角度小于15°。毛筍支護下應力場分布云圖相似于錨桿支護下應力場分布云圖，所以錨索參數的確定可以選取相同的方式。通常來說，由于要把支護成效考慮進去，要對以下參數進行全面考慮，如錨索的預應力、長度、強度及直徑，圍巖變形的控制能夠通過高預應力來實現，所以支護的成效最好。

圖2 不同錨桿錨固應力場分布圖

2 研究與設計支護

1）一次支護的原則。由于要預防重復支護所導致的巖體有裂隙，所以要最大程度的對一次支護進行保護，為了使圍巖變形在一次支護之后得到控制提供保障。并且一次支護的原則的優點是能實現對圍巖變形進行控制的目標、為硐室與巷道的穩定提供保證，維修費用降低、使生產的安全性得到保證。

2）分散預應力與高預應力的原則。充足的預應力可以由錨桿支護所實現，唯有在預應力到達規定值時，支護方能從被動變為主動，此時的支護成效最好，分散預應力與高預應力的原則要使錨桿的預應力得到保障，還要對其預應力進行提高，如使用鋼帶、托板等構件來實現，把支護的區域擴大，使整個支護的穩定性得到提高。

3）“三高一低”的原則。“三高一低”的原則即為確保支護具有的較高的可靠性、剛度、強度，并把支護的密度減小。不但要把支護密度減小而且還要確保其強度，使其經濟效益提高。

4）支護的剛度和臨界支護強度的原則。其原則就是對兩者的剛度值而言，確保支護強度的就要比臨界支護強度要大，方能使長時間支護的穩定性得到保障，可以對預防破壞圍巖變形進行控制。

5）相互匹配的原則。在對錨桿錨索進行支護時，要保證所有的部位零件是彼此互相匹配的，其匹配可以體現在空間和時間上，能夠把所有零件所對應的功能給發揮出來，使支護成效最佳得以實現。

6）可操作性的原則。巷道的參數與錨桿錨索的具體尺寸是相互適合的，使井下能夠實現其操作得到保障，支護效率的提高能夠通過本原則來實現。

在頂板中，穩定頂板中就有石灰巖頂板，而且其厚度是2.7 m，從原則上來說可以不支護，因為在煤層的頂板內，把厚度為2 m 的一層泥巖夾雜在上層與下層石灰巖中，巖性有比較大的差異，無法協調變形時，極易有離層發生在頂版巖中，會有冒頂出現，所以，以之前的支護為基礎，選取錨索來把支護增強。以下就是錨索間的排距的詳細參數：由于要考慮頂板巖石具有不同的性質和錨固段的尺寸等，所以選用的錨索的直徑與長度分別為15.2 mm、7 200 mm，其鉆孔的直徑是28 m，選取的布置方法是“三三”，錨索和錨索之間的排距是800 mm×4 000 mm，能夠保證錨桿所具有的錨固力在200 kN 以上，預緊力在120 kN 以上，在錨固錨桿時，要把3 個錨固劑作用在1 根錨桿上。

以下就是確定的煤柱幫錨桿支護的有關參數:由于要把支護的強度考慮進去，所以，支護所用的左旋螺紋鋼錨桿的D18 mm，長為2 000 mm，強度在335 MPa 以上。錨桿之間的排距是800 mm×800 mm，并把每3 根錨桿設置在每1 排，3 根錨桿中的任意1 根都與相同數量的樹脂錨固劑相互配合著應用，由于要使其支護強度得到保障，所以，其預緊力要在150 N·m 以上，錨固力在80 kN 以上，托板配合錨桿來應用，其高度要在36 mm 以上。網片在進行支護時會使用的到，以下就是其規格：網片的網孔是菱形的，其網孔的規格是50 mm×50 mm，網片的整體長度與寬度分別是2 700 mm、1 000 mm，在安裝網片時，要把其安裝在緊挨著煤壁，確保搭接的長度在200 mm 以上，并且可以使用鐵絲來穩固網片，鐵絲的長度是200 mm。在支護時，還會有鋼筋梯子梁被使用，以下就是鋼筋梯子梁的具體規格：其直徑、寬、長分別為14 mm、80 mm、2.4 m，并經過對圓鋼進行加工而形成的鋼筋梯子梁。

M20 型號螺母和錨桿是匹配的，規格為120 mm×120 mm×10 mm，鋼號是Q235 的托盤和M20型號螺是相匹配，并且要保證其高度在36 mm 以上。圖3 即為頂板支護示意圖。

圖3 巷道頂板支護示意（未標單位：mm）

3 結語

1）錨桿不同錨固方式下的應力場分布圖是通過數值模擬軟件獲得的，得知，由于錨固方式不同，所以分布的圍巖應力場的也不一樣，錨固方式的選擇要按照自身實際情況來決定。

2）經過數值模擬軟件的應用，來分析頂板角度不同時的應力場，并和實際施工相結合，從而提出頂板角在15°以下最好。

3）經過對質地狀況與數值模擬的最終結果進行全面分析，能夠明確加強支護的計劃，為回采工作的成功實施提供保障。