巷道預應力錨桿支護參數設計與應用研究

劉永宏

（山西蘭花百盛煤業有限公司項目辦，山西 高平 048408）

引言

隨著煤炭需求量的不斷增加，井下煤炭掘進與開采工作的強度和規模不斷擴大，對巷道支護要求越來越高[1-2]。大型掘進設備的發展和應用及煤炭掘進巷道的截面尺寸劇增，對巷道圍巖的穩定性要求提出了更高要求，也是大斷面巷道支護亟待解決的技術瓶頸[3]。大斷面巷道支護的難點主要是煤炭周圍的圍巖極易出現松軟破碎，采用普通的錨桿進行支護經常出現不能維持圍巖穩定性問題，現已引起了煤炭行業的關注[4-5]。預應力錨桿的出現，為大斷面巷道圍巖支護工作提供了新的方法，其能夠可靠抑制巷道圍巖支護過程中的過大變形，確保圍巖的穩定性[6]。針對某煤炭企業巷道大斷面普通錨桿支護存在的問題，開展預應力錨桿支護參數設計與應用研究工作具有重要的意義。

1 預應力錨桿介紹

煤炭巷道斷面采用普通的錨桿支護，出現了圍巖變形較為明顯的問題，主要的原因是普通錨桿工作時在圍巖不發生變形之前不會起到支護的作用，只有在圍巖出現變形之后才能使出支護效果，圍巖的變形量越大，錨桿的支護效果越好。綜上，普通錨桿支護可以被定義為被動支護。為了實現大斷面巷道支護由被動支護變為主動支護，開始引入了預應力錨桿支護技術，以實現主動為巷道周圍圍巖提供支護力的效果，抑制圍巖裂隙的發展，有效降低圍巖變形破裂程度，提高圍巖的自承載能力，達到良好的主動支護效果。

2 預應力錨桿擴散規律的數值模擬

引入預應力錨桿支護技術之后，為了探索預應力錨桿支護應用的規律性，借助有限元仿真分析方法，采用FLAC 3D數值模擬軟件和Tecplot結果后處理軟件，開展了預應力錨桿支護應力擴散規律研究。仿真工作開始前建立有限元仿真分析模型，巷道整體模型尺寸（長×寬×高）數值為16 m×40 m×16 m，整個模型分為五層，自下而上依次為細砂巖、粉砂巖、煤層、粉砂巖、中粒砂巖。仿真模型建立完成進行網格劃分，統計得到的單元格數量為655 360，網格節點數量為718 250。為了能夠清晰地表達出預應力錨桿支護效果，仿真時對圍巖不施加原巖應力。模型中的巷道斷面尺寸（長×寬）數值為4 m×3.5 m，對錨桿施加預緊力并運算至平衡后對結果進行分析。

2.1 錨桿長度對應力場的影響

錨桿長度作為錨桿支護過程中較為重要的參數之一，其對支護效果的影響較為明顯，為了研究錨桿長度對錨固應力場的影響，仿真時設置錨桿的預緊力恒定，此處設置為100 kN，通過分析計算不同錨桿長度尺寸下的錨固應力分布情況，得到相應的規律性結論，以便更好地指導預應力錨桿支護參數的設定。

圖1 不同預應力錨桿長度下的預應力場

圖1給出了預應力錨桿支護長度分別在1.8 m、2 m和2.5 m時的應力場分布情況，由圖1結果可以看出，隨著錨桿支護長度尺寸的延長，有效壓應力區的深度數值不斷增大，進一步觀察可以發現，預應力錨桿的尾部有效壓應力數值受錨桿長度數值變化影響較小，而受到影響較為明顯的位置是預應力錨桿中間部位，有效壓應力的寬度數值降低較為明顯。由此可見，預應力錨桿支護時，錨桿長度延長，有利于預應力向圍巖深部的縱向擴散，與此同時，錨桿長度的提高會降低預應力在圍巖中的橫向擴散。根據理論分析及工程實踐可知，煤炭巷道掘進斷面錨桿預緊力一定時，錨桿長度尺寸不易過長，要保證支護效果合理的錨桿長度應深入穩定巖層內部0.2 m，長度尺寸一般控制在1.6～2.4 m范圍內。

2.2 錨桿預緊力大小對應力場的影響

錨桿預緊力作為錨桿支護過程中另一個參數，其對支護效果的影響同樣重要，為了研究錨桿預應力對錨固應力場的影響，仿真時設置錨桿的長度尺寸恒定，此處設置為2.0 m，通過分析計算錨桿不同預應力條件下錨固應力分布情況，得到相應的規律性結論，以便更好指導預應力錨桿支護參數的設定。

圖2 不同錨桿預應力條件下的預應力場

圖2分別給出了錨桿初始預緊力為60 kN、100 kN、140 kN條件下的應力場分布。由不同預緊力條件下錨桿應力場仿真分析結果可以看出，施加預緊力之后錨桿尾部出現了較大的壓應力集中情況，壓應力大小由錨桿尾部向圍巖內部逐漸擴散。預緊力數值為100 kN條件時，錨桿尾部的最大應力數值為0.4 MPa，壓應力數值隨著錨桿的深入逐漸降低，最小應力數值為0.15 MPa，位置出現在錨桿的五分之二位置處，在一定的范圍內形成對圍巖的有效壓應力區。進一步觀察不同預緊力條件下錨桿預應力分布情況可得，隨著預緊力的不斷提高，壓應力范圍不斷提高，即增大錨桿預緊力可以提高主動支護效果。

3 支護參數確定

根據以上錨桿支護過程中應力場的分布規律可得，隨錨桿長度的增加，有效壓應力區的深度數值不斷提高，對尾部有效壓應力數值影響較小，而對錨桿中間位置有效壓應力數值降低較為明顯。隨著錨桿預應力數值的提高，能夠提高主動支護效果。結合煤炭企業內部預應力錨桿支護的需求，由于錨桿長度和預應力過大或者過小均對預應力錨桿的支護效果帶來不利影響，故而確定了預應力錨桿的長度尺寸數值為2.0 m，預緊力數值設置為100 kN。

4 應用效果分析

為了驗證預應力錨桿支護技術及參數設置的應用效果，在煤炭巷道斷面開展預應力錨桿的應用，跟蹤記錄錨桿支護過程中巷道斷面的變化情況。結果表明，預應力錨桿支護工作較為穩定，取得了主動支護的效果。統計結果顯示，相較于普通錨桿支護，預應力錨桿支護技術的引進，使煤炭巷道頂板位置的月沉降量降低了近11%，巷道左側幫月膨脹位移數值降低約8%，巷道右側幫月膨脹位移數值降低約7%。由此可見，預應力錨桿支護技術，能夠提高煤炭巷道內部錨桿支護的可靠性，保證巷道內部作業的安全性，取得了很好的應用效果。