浮煤對錨桿預緊力矩的影響

王 芳

(潞安環能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

巖體錨固技術能夠充分利用巖土體自身的穩定能力來增強巖土工程的穩定性，使復雜的巖土工程問題得以解決。巖體錨固技術具有施工快、不占地、擾動小、經濟、安全、可靠、有效的技術特點，因此廣泛應用在地下工程、鐵路公路交通、城市建設、水利水電等行業中，并取得了良好的社會經濟效益[1-3]。

錨桿支護作為一種有效的采煤巷道支護方式，由于對巷道圍巖強度的強化作用，可顯著提高圍巖的穩定性，加之具有支護成本較低、成巷速度快、勞動強度減輕、提高巷道斷面利用率、簡化回采面端頭維護工藝、明顯改善作業環境和安全生產條件等優點而被廣泛應用，錨桿預緊力矩的監測是錨桿支護的重要基礎[4-6]。但是由于煤墻凹凸不平，在錨桿預緊的過程中隨著預緊力矩的增大，煤墻的凹凸面會發生陷落，鋼帶發生變形，從而對同一排其他錨桿預緊力產生影響，為研究這一規律，本文討論煤墻上浮煤對錨桿預緊力矩的影響。

1 研究背景

巷道在開挖時，原巖應力重新分布，在頂板垂直壓力和水平壓力雙重作用下，易發生煤體鼓包等現象。巷道錨桿支護往往較為滯后，加劇了煤柱的鼓起，這些鼓包以及不平整的巷道表面對錨桿預緊力的施加造成嚴重影響。對鼓包的巷道表面進行錨桿支護如圖1所示，錨桿1、錨桿2和錨桿3為同一排錨桿支護，使用同一根鋼帶，先打設錨桿1和錨桿2，施加其預緊力，然后再打設錨桿3，此時錨桿3施加預緊力勢必會造成鋼帶的變形，從而影響錨桿1和錨桿2的預緊力。因此本文采用Workbench軟件，建立三維模型，對錨桿1、2和錨桿3在支護過程中的圍巖變形和預緊力變化情況進行分析。

圖1 錨桿預緊示意

2 數值模擬

2.1 煤及錨桿力學參數選擇

在試驗機上對煤的彈性模量進行測量，如圖2所示。測試按以下步驟進行，首先將煤填滿容器中，托盤放入煤層，然后使壓力機機頭剛觸到托盤(壓力表指針在零位)，測量此刻容器中煤的高度，L=100 mm，開始加壓，隨著壓力的增大托盤下移，當壓力達到50 000 N時，壓力保持穩定，此過程中托盤下降ΔL=30 mm，由彈性模量計算公式：

圖2 煤彈性模量測試

(1)

(2)

(3)

式中:E為彈性模量，Pa；F為試驗機所施加的力，50 000 N；A為托盤與煤有效接觸面積，15 000 mm2；ε為煤的應變。

由式(1)、(2)和(3)得出煤的彈性模量為：E=1.1e7Pa。

錨桿和托盤的力學參數由廠家統一給定，力學參數如表1所示。

表1 力學參數選擇

2.2 模擬及結果分析

建立proe三維模型，并將三維視圖導入Workbench中進行劃分網格，如圖3所示。

圖3 浮煤三維模型

分別給錨桿1、錨桿2處的托盤上表面(螺母接觸面)各加100 kN的預緊力，約束條件為：煤層底面加全約束，圖4和圖5分別為未打錨桿3錨桿模型的位移云圖和應力云圖。

圖4 未打錨桿3的位移云

圖5 未打錨桿3的應力云

然后打設中間的3號錨桿，圖6和圖7分別為打完錨桿3后模型的位移云圖和應力云圖。

圖6 打完錨桿3后的位移云

圖7 打完錨桿3后的應力云

從位移和應力云圖中可以看出，當打錨桿3時，錨桿1、錨桿2處的鋼帶會受錨桿3的影響，錨桿3的打設及對錨桿施加預緊力會擠壓煤體，同時，錨桿1、錨桿2處鋼帶和托盤會受到向下的力，致使其位移增大，從而導致托盤處的擰緊螺母會產生松動，導致力矩減小，只打設錨桿1和錨桿2時，監測到的錨桿處煤壁的位移為29.48 mm和28.87 mm，打設錨桿3并施加預緊力后，煤壁的相同點的位移增加至31.89 mm和31.08 mm，對錨桿1和錨桿2處的影響率分別為8.2%和7.7%，從而導致錨桿1和錨桿2的力矩都有一定程度的減小，分別減小了45.1 N·m和42.4 N·m。由此可以說明，第三根錨桿打完對前兩根錨桿的力矩有一定程度的影響。

3 結 語

當煤墻有浮煤，進行錨桿支護(對同一排錨桿進行支護)時，每支護完畢前一根錨桿，使其預緊力矩保證在要求范圍再支護下一根錨桿時，會直接導致前一根錨桿的擰緊螺母發生松動，致使前一根錨桿的力矩減小42～45 N·m，因此在錨桿施工時，可以在設計的預緊力下適當增加其取值，以最終達到設計要求。