底角錨桿在巷道底鼓中的應用研究

摘 要：隨著我國煤炭開采深度不斷增大，井下巷道所受的圍巖應力也不斷增大，造成巷道底鼓顯現頻發，文章介紹了對底角錨桿控制技術和作用機理進行了相關的介紹，并通過應用數值模擬的方法對深部巷道有無底角錨桿進行了相關的模擬，模擬結果顯示通過施加底角錨桿可以很好的控制巷道底鼓的產生。

關鍵詞：底鼓；底角錨桿；數值模擬

引言

隨著開采深度的增加的，巷道產生底鼓現象也越來越嚴重，國內外學者進行了大量的探索來控制巷道產生底鼓，主要體現在兩個方面：一個是預防底鼓的產生，可通過松動爆破、切縫卸壓、鉆孔卸壓、可縮性封閉金屬支架、底板打錨桿、錨索調動深部圍巖強度、底板注漿等技術方法，二個是對底鼓巷道進行起地，清除鼓起的巖石及煤塊。

1 底角錨桿

1.1 底角錨桿控制技術

根據底鼓防治技術和現場實踐表現可以看出，通過給巷道底板增加底角錨桿，可以對底板幫角巖體進行加固，從而生產加固圈，使底板穩定性增加。底角錨桿的作用主要體現在以下幾點：一是進行底角錨桿施工可以分散底角區應力的集中，使圍巖受力條件改變，在底角區可以形成較高的承載拱，使底角圍巖塑性區向深部發展降低，增加了底角區圍巖的自承能力，降低了兩幫部的塑性變形；二是底角錨桿的施工能夠阻止巷道幫部的塑性滑移線，降低了兩側幫部的擠壓力，從而有效地控制底鼓。

1.2 底角錨桿的作用機理

巷道底部圍巖體簡化成彈塑性介質，對擠壓流動性底鼓的速度場和滑移線場的表示如圖1所示。

圖中Ps=γH，Ps為底板受松動圍巖的壓力，γ為巖石比重，H為圍巖的松動高度；φ為圍巖的內摩擦角，a是巷道寬度；b是圍巖的松動寬度；A、B為底板圍巖的兩組滑移線，DGCFE線為間斷線。

根據滑移線的速度場性質可推導出：圖1中，△BEF、△ADG分別與x軸成-（4/π-？漬/2），整體移動的方向是（4/π-？漬/2），同時根據間斷線知，所移動的方向與AG、BF垂直。

扇形區BFC、AGC做整體移動的方向徑向法線圍繞A、B兩點。要使圍巖的移動方向垂直錨桿軸向，需要在BF、AG直線上布置錨桿。圍巖要進行移動就必須抵消掉錨桿的繞流阻力。在Ps-P等于繞流阻力時，巷道底部處在一種極限的平衡狀態，底鼓就不會發生。即便布置在A、B點上的錨桿失去作用，底板中部的移動量也遠大于圍巖對巷道空間的移動量。試驗與現場分析也可以看出用底角的加固技術來提高底角的巖體的穩定性是可以的，同時對于底角穩定性來控制底鼓的支護理論也是可以行的，對于治理底鼓效果顯著。

2 數值模擬

2.1 數值模型的建立

根據巷道圍巖賦存特性、巷道地質資料及巖石、錨索錨桿、噴砼層的力學特性，建立模型，該模型的長*寬*高等于50m×30m×50m，劃分出35210個單元所形成的結構單元4166個，節點39166個，限制模型側面的水平移動，對底部進行固定，模型上表面添加應力邊界，載荷為22MPa，模擬巖層傾角為20°，Mohr-Coulomb準則作為巖體破壞準則，建立的模型如圖2，力學參數見表1所示。

2.2 巷道力學分析

2.2.1 無底角錨桿應力場分析

圖3所示為底板應力分布圖，右肩部及底板出現3.16MPa的小范圍拉應力，別的部分為壓應力5.0MPa，肩部及左幫的壓應力為25MPa。分析原因可知，是由于底板及右幫巖石強度低，受到拉應力后使圍巖體結構破壞，強度減小。應力給深部轉移過程中，由于左幫巖石強度大于所受應力，巖石無法被破壞，造成應力集中。

2.2.2 施加底角錨桿應力場分析

圖4所示顯示的是施工底角錨桿后巷道圍巖的應力分布云圖。對底角周邊施工錨桿后，根據底角錨桿的力學特性影響，巷道兩肩部和底板的壓應力分別是25MPa和5MPa，應力向深部轉移。圖4中顯示兩側的應力影響區域變小，底板及兩側所受壓應力分別是20MPa和2.5MPa，表明應力在向深部移動。

3 結束語

文章通過對底角錨桿的控制技術和相關原理進行了簡單的介紹，并通過數值模擬的方法對深部巷道有無底角錨桿進行了相關的數值模擬，相似模擬得出的結果說明通過對底板施工底角錨桿可以使應力集中區向巷道深部移動進一步減少在巷道底角區域出現，從而減少圍巖應力對巷道底板產生的影響。進而將巷道底鼓控制在最低的限度內，可以有效地控制巷道底鼓的產生。

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作者簡介：馬小豐（1984），男，河南焦作人，助理工程師，2007年本科畢業于河南理工大學電氣工程及自動化專業，現就職于陜煤彬長胡家河礦業有限公司，從事于煤礦安全管理等工作。