錨索桁架對沿空掘巷幫部支護效果數值模擬研究

武濤 李婧

摘 要：為了研究錨索桁架對沿空掘巷幫部的支護控制效果，利用FLAC3D分析程序進行了三維數值模擬研究，比較了錨索桁架和單體錨索對巷道兩幫支護的效果。結果表明錨索桁架支護形式能夠在巷道兩幫中部產生較大的水平和垂直壓應力，從而能有效防止巷幫的片幫及內擠變形。數值模擬結果對錨索桁架支護在深部巷道中的應用具有一定的參考意義。

關鍵詞：沿空掘巷;錨索桁架;支護效果;數值模擬

1 緒論

在煤炭的地下開采中，為了減少資源浪費和提高煤礦的開采效益，通常需要盡可能地減小采煤工作面兩側的煤柱尺寸，留窄煤柱沿空掘巷是一個優先方法。然而，與實體煤巷道相比，沿空掘巷方法巷道支護存在著較多的不利因素。[1-3]隨著采煤深度的增加，深井沿空掘巷的礦壓比中淺部更為嚴重，巷道維護更加困難。[4-7]錨索桁架支護技術興起于預拉力錨桿技術，于1967年在美國的煤礦業中最早得到成功應用，隨后在多個國家的地下工程中得到推廣，并于上世紀80年代末開始在國內得到使用和推廣。錨索桁架主要由錨索和拉桿組成（如圖1所示），將兩根錨索錨固在穩定的巖層中，在錨索的末端，連接水平拉桿，并施加一定的預應力以形成支護整體。

為了研究錨索桁架對沿空掘巷幫部的支護效果，本文利用數值模擬的方法分別研究錨索桁架及單體錨索對沿空掘巷兩幫進行支護后，兩幫圍巖中的應力演化規律。

2 數值模擬建模

沿空巷道由于同時受上區段工作面的側向支承壓力影響以及本工作面的超前支承壓力作用，巷道的圍巖變形較大，裂隙相對發育破碎，利用可以求解非線性大變形問題的模擬軟件較為適宜，因此選取FLAC3D作為數值計算的模擬軟件。煤礦某軌道順槽，一側沿上區段采空區邊緣留設了5m寬的窄煤柱，巷道沿著底板掘進，沿空掘巷斷面的尺寸為寬×高=5.0m×40m。同時考慮到兩側采區（各100m）及邊界煤柱的尺寸，計算模型的幾何尺寸為：長×寬×高=250m×120m×60m。模型的四個側面是水平位移約束，底面是豎直位移約束，模型的上部施加垂直載荷模擬上覆巖體的重量。兩幫錨索桁架的斜錨索長度為4.0m，錨索鉆孔端之間的間距為2.5m，斜錨索與垂直方向的夾角為45°;兩幫單體錨索的長度為4.0m，鉆孔末端之間的距離為2.5m。兩種支護形式中錨索的預緊力均為150kN。

3 結果分析

圖2為幫錨索桁架支護與單體錨索支護情況下的預應力場分布圖，據圖可以得出在兩種支護結構下預應力場的分布特征明顯不同，主要表現為：

（1）預應力場的擴散模式明顯不同。錨索桁架支護的預應力場擴散方式如下：兩幫錨索桁架以斜向錨索與拉桿預緊力的合力作用點為擴散中心。單體錨索的預應力場的擴散方式是以錨索尾部預緊力的加載點為各自的擴散起始點，大致呈橢圓形分別向兩側擴散到圍巖深處。

（2）預應力場的作用范圍明顯不同。錨索桁架支護中，預應力場的作用范圍集中在錨索間一定深度的圍巖體中，影響范圍較大。單體錨索支護中的預應力場的范圍主要集中在圍巖中一定寬度的窄條帶內，且一般以錨索為中心向外擴散。

如圖3所示為沿空巷道中兩幫部不同支護結構下圍巖應力場的分布圖。

兩種不同支護結構的最大壓應力值出現在錨索尾部附近，最大垂直壓應力值差別很大，約為105.1kPa，最大水平壓應力值差別不大，約為18.5kPa。單體錨索進行支護時，在巷幫錨索尾部出現最大水平壓應力值約為77.1kPa;巷幫中間的水平壓應力值接近0，約為0.49kPa;錨索桁架進行支護時，在巷幫錨索尾部出現的最大水平壓應力值約為58.7kPa，略小于單體錨索支護時的壓應力值，但在巷幫中部的水平壓應力值約為698kPa，則是單體錨索支護時的14倍。綜合以上分析可見，桁架錨索對于沿空掘巷幫部圍巖的支護控制效果明顯優于普通的單體錨索。

4 結論

（1）在錨索桁架和單體錨索預應力作用下，巷道兩幫圍巖中的預應力場擴散方式有明顯不同，預應力場的作用范圍相差也較大。錨索桁架支護結構以斜錨索和拉桿預緊力的合力作用點為擴散中心，且預應力場具有較大的作用范圍。

（2）在單體錨索支護作用下，在錨索尾部附近可以產生較大的水平壓應力，然而，在巷道兩幫的中部，形成的水平和垂直壓力值很小并且接近于0。單體錨索支護結構具有較小的影響范圍。

（3）在錨索桁架支護作用下，不僅可以在錨索尾部產生較大的水平和垂直壓應力。更重要的是能夠在巷道幫部的中間位置處提供數十倍于單體錨索支護時的壓應力，從而能夠有效防止巷幫片幫及內擠變形現象的產生。

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作者簡介：武濤（1983-），男，河北邢臺人，本科，工程師，研究方向為礦井建設與巷道支護。