錨桿預應力對大跨度巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究

張建國，陳廣帥

(1.霍州煤電集團 晉南公司安全處，山西　河津　043300； 2.霍州煤電技術(shù)研究院，山西　霍州　031400)

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·試驗研究·

錨桿預應力對大跨度巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究

張建國1，陳廣帥2

(1.霍州煤電集團 晉南公司安全處，山西河津043300； 2.霍州煤電技術(shù)研究院，山西霍州031400)

摘要根據(jù)沙坪礦地質(zhì)資料和308工作面切巷支護方法，建立數(shù)值模型，首先，分別設(shè)定錨桿預應力為其桿體屈服強度的30%、40%和50%，在不施加原巖應力的情況下分析了錨桿預應力在圍巖中的分布特征；其次，在數(shù)值計算中加上原巖應力，分別分析了3種預應力條件下巷道圍巖變形特征，確定了最佳預應力取桿體屈服強度的50%.通過井下預緊扭矩轉(zhuǎn)化試驗，確定了頂錨桿預緊扭矩為250 N·m，幫部預緊扭矩為200 N·m，在現(xiàn)場工程應用中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞錨桿；預應力；大跨度；圍巖；穩(wěn)定性；預緊扭矩

工作面切巷由于安裝支架的需要，巷道跨度較大，對于支護質(zhì)量和支護強度控制要求高：一方面要求支架安裝完畢時頂板圍巖保持穩(wěn)定，嚴防漏頂現(xiàn)象出現(xiàn)；另一方面，工作面回采時，避免開切眼支護強度過高出現(xiàn)難以垮落現(xiàn)象[1].預應力是錨桿支護系統(tǒng)的決定性參數(shù)，預應力過低，將導致錨桿支護產(chǎn)生的附加應力值小，形成的壓應力區(qū)范圍小，有效壓應力區(qū)孤立分布，不能連成整體。在高預應力下，錨桿支護產(chǎn)生的附加應力場應力值大，形成的壓應力區(qū)范圍廣，有效壓應力區(qū)幾乎覆蓋了整個頂板，形成有機的整體，錨桿的主動支護作用得到充分發(fā)揮[2].根據(jù)國內(nèi)外研究成果，預應力選擇原則是使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應力區(qū)且小于錨桿的屈服強度，錨桿預應力取值范圍應達到桿體屈服強度的30%～50%時比較合理[3,4].

1工程概況

沙坪煤礦308工作面，東鄰306工作面， 306工作面已開始末采，南接集中運輸巷和回風巷，西、北均為礦井井田邊界。308工作面切巷沿煤層頂板掘進，煤層平均厚為2.3 m，夾矸厚度為0.3～0.6 m，平均厚度為0.45 m.煤層傾角最大為9°，最小為1°，平均為5°.切巷平均埋深60 m，埋深變化不大，埋深較淺。切巷直接頂為泥巖，厚度為3.9 m，黑色，松軟，之上為K2灰?guī)r，厚度為0.64 m，再上為黃泥，厚度0.74 m；直接底為泥巖，厚度3.7 m，黑色，松軟。切巷處無明顯地質(zhì)構(gòu)造。

308工作面切巷斷面為矩形，寬度5.6 m，高度2.6 m.巷道的支護斷面見圖1.

圖1　巷道斷面支護示意圖

頂板采用錨桿+鋼筋托梁和錨索支護，錨桿桿體為d20 mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為335#，長度為2.0 m，錨桿排距1 000 mm，每排6根錨桿，沿巷道軸線對稱布置，間距1 000 mm；錨索公稱d17.8 mm，1×7股礦用鋼絞線，長度4 300 mm，采用“二二”布置，排距1 800 mm，間距2 000 mm，2根錨索沿巷道軸線對稱布置。幫部分為回采幫和非回采幫，由于安裝支架后回采幫要進行割煤工作，給錨桿支護會帶來不便，所以回采幫視變形情況可以不予支護；非回采幫采用錨桿+鋼筋托梁支護，錨桿桿體為d16 mm的圓鋼，長度1.6 m，錨桿排距1 000 mm，每排3根錨桿，間距1 000 mm，最上1根距頂板200 mm.

2錨桿預應力對圍巖穩(wěn)定性影響分析

2.1建立數(shù)值模型

根據(jù)沙坪煤礦具體地質(zhì)條件和308切巷支護情況，經(jīng)過簡化建立FLAC數(shù)值模型，模型為長方體形狀，長軸沿切巷軸線方向，長軸長度為20 m，短軸長度18 m，垂直高度15 m，垂直方向模型沒有建立到地表，地表未建地層，用模型頂部壓應力代替。長軸、短軸方向和模型底部邊界均為固定邊界，模型頂部為應力邊界。模型從下到上分別為泥巖、煤層、泥巖、K2灰?guī)r。

2.2預應力在圍巖中分布特征分析

為了清晰地看到錨桿預應力在圍巖中的分布特征，進行數(shù)值計算時，去除原巖應力，根據(jù)錨桿預應力取值范圍應達到桿體屈服強度的30%～50%的原則，308切巷頂板錨桿桿體為d20 mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強度335 MPa，通過計算可以得出，頂板錨桿的預應力取值為31.6～52.6 kN.這里分別選取錨桿預應力為桿體屈服強度的30%、40%和50%，即預應力分別為31.6 kN、42.08 kN、52.6 kN，通過計算，得出3種錨桿預應力在切巷頂板形成的附加應力場分布，見圖2.

圖2　不同錨桿預應力形成的附加應力場分布圖

從圖2可以看出，錨桿施加預應力后，預應力通過托板傳遞給巷道圍巖，在圍巖中形成一定范圍的壓應力區(qū)，錨桿預應力為31.6 kN、42.08 kN、52.6 kN時，各錨桿形成的壓應力區(qū)基本上都可以相互疊加，隨著錨桿預應力的增大，錨桿預應力在圍巖中擴散的范圍更廣，這樣就使圍巖中壓應力區(qū)的整體性更好，而且使錨桿支護在圍巖中產(chǎn)生的附加應力場應力值增大，在巷道圍巖形成一個整體的壓應力區(qū)，壓應力區(qū)幾乎覆蓋了整個頂板，形成有機的整體，使巷道圍巖處于壓應力狀態(tài)，提高圍巖強度，錨桿的主動支護作用得到充分發(fā)揮，更有利于巷道的支護。

由分析可得，在錨桿的預應力取值為31.6～52.6 kN的情況下，預應力選擇越大越好。

2.3不同錨桿預應力下巷道圍巖變形特征分析

在數(shù)值模型中加入原巖應力，制定3種不同預應力的數(shù)值計算方案，3個方案中錨桿預應力分別取其本身屈服強度的30%、40%和50%，即方案一中頂錨桿預應力為31.6 kN，幫錨桿預應力為20.22 kN；方案二中頂錨桿預應力為42.08 kN，幫錨桿預應力為26.96 kN；方案三中頂錨桿預應力為52.6 kN，幫錨桿預應力為33.7 kN.3個方案中錨索預應力統(tǒng)一為100 kN.

經(jīng)過計算，3個方案中，巷道圍巖的變形情況見圖3.

由巷道圍巖變形數(shù)值計算結(jié)果可以得出，方案一中，巷道頂板最大下沉量為18.1 mm，最大底鼓量為2.3 mm，兩幫中部移近量為1.56 mm；方案二中頂板最大下沉量為14.8 mm，最大底鼓量為2.06 mm，兩幫中部移近量為1.35 mm；方案三中頂板最大下沉量為12.6 mm，最大底鼓量為1.87 mm，兩幫中部移近量為1.12 mm.3個方案中左幫(支護幫)位移量小于右?guī)?無支護幫)位移量。錨桿預應力取其本身屈服強度的30%、40%和50%時，隨著錨桿預緊力的增加，切巷頂、底板和兩幫變形量均有所減小，巷道圍巖穩(wěn)定性得到加強。

圖3　巷道圍巖變形圖

3現(xiàn)場應用分析

3.1預緊扭矩的確定

錨桿預緊力通過施加在錨桿端部螺母上的預緊扭矩轉(zhuǎn)化形成，錨桿預緊力與螺母上的預緊扭矩成正比，現(xiàn)場材料和環(huán)境的不同都會影響預緊扭矩向預緊力轉(zhuǎn)化的效果。本文運用該礦現(xiàn)場支護材料，通過扭矩扳手和錨桿測力計等儀器現(xiàn)場實驗測定該礦施工過程中預緊扭矩向錨桿預緊力的轉(zhuǎn)化情況，結(jié)合現(xiàn)場實際條件，最終確定合適的預緊扭矩。

通過現(xiàn)場實驗，得出308工作面切巷現(xiàn)場預緊扭矩和預緊力的關(guān)系見圖4.

圖4　預緊扭矩與預緊力的關(guān)系圖

從圖4中可以看出，當幫部錨桿預緊扭矩達到200 N·m時，錨桿預緊力達到36.5 kN，達到幫錨桿屈服強度的50%，可以滿足需求；頂錨桿預緊扭矩達到300 N·m時，預緊力達到67.8 kN，根據(jù)預緊扭矩與預緊力關(guān)系的變化趨勢可以判定當預緊扭矩達到250 N·m時，頂錨桿預緊力可以達到頂錨桿屈服強度的50%，所以在308切巷施工過程中設(shè)定頂錨桿預緊扭矩為200 N·m，頂錨桿預緊扭矩為250 N·m.

3.2現(xiàn)場變形監(jiān)測

按照上述的支護方式，頂錨桿預緊扭矩選擇250 N·m，幫錨桿預緊扭矩選擇200 N·m進行施工，目前切巷已經(jīng)施工完畢，施工過程中，在距離切巷開口30 m處建立1組位移測站，進行巷道表面位移監(jiān)測，當測站距離巷道迎頭60 m時，巷道基本變形穩(wěn)定，巷道變形量與測站距掘進迎頭距離的關(guān)系見圖5.

圖5　巷道變形量與測站距掘進迎頭距離關(guān)系圖

由位移監(jiān)測結(jié)果可知，頂板最大下沉量為25 mm，兩幫最大移近量為6 mm，頂板和兩幫變形均很小，支護效果顯著。

4結(jié)論

1) 結(jié)合現(xiàn)有研究成果，經(jīng)過數(shù)值計算及分析得出，當錨桿預應力達到錨桿本身屈服強度50%時，支護效果較好。

2) 由現(xiàn)場實驗確定頂錨桿預緊扭矩為250 N·m，幫部預緊扭矩為200 N·m.

3) 通過施工過程中巷道表面位移監(jiān)測得出，頂板最大下沉量為25 mm，兩幫最大移近量為6 mm，巷道圍巖得到了較好的控制。

參考文獻

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003:88-91.

[2]韋四江.預緊力對巷道圍巖錨固體穩(wěn)定的作用機理及工程應用[D].焦作：河南理工大學，2011.

[3]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2007:116-121.

[4]康紅普，姜鐵明，高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報，2007，32(7)：680-685.

Study on the Influence of Anchor Bolt Prestress to the Surrounding Rock Stability of Large-span Roadway

ZHANG Jianguo, CHEN Guangshuai

AbstractAccording the geological data of Sha'ping coal mine and the support method of 308 working face cross tunnel, establishes the numerical model. First, takes the value of 30%, 40% and 50% of anchor bolt yield strength as the anchor bolt prestress. Analyzes the distribution characteristics of the anchor bolt prestress in surrounding rock in the case of the original rock stress is not applied. Next applies the original rock stress, analyzes the deformation of surrounding rock under different anchor prestresses. Determines the optimal prestress is 50% of the yield strength of anchor bolt. By the transformation test of pretightening torque underground, confirms the pretightening torque of top anchor bolt is 250 N·m, and the pretightening torque of sides anchor bolt is 200 N·m, the result is good in the field engineering applications.

Key wordsAnchor bolt; Prestress; Large span; Surrounding rock; Stability; Pretightening torque

中圖分類號：TD322

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)01-0026-04

作者簡介：張建國(1985—)，男，山西臨縣人， 2015年畢業(yè)于遼寧科技大學，助理工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作(E-mail)cgshpu@163.com

收稿日期：2015-11-17