不同預應力下巷道支護效應的數值模擬分析

任學軍

（西山煤電西曲礦，山西 古交030200）

引言

錨桿支護為綜采工作面巷道支護的主要方式，其中預應力錨桿能夠在巷道圍巖頂板形成組合梁，對巷道頂板起到加固、穩定的作用，與此同時也解決了巷道兩幫片幫的現象。對于預應力錨桿支護而言，預應力值的選取尤為重要[1]。預應力值過大會使錨桿從巖層中拔離，預應力值過小未能夠有效控制巷道圍巖的離層現象。以某礦31303工作面為例，研究在不同預應力下巷道支護效應，從而得出最佳錨桿預應力區間。

1 工程概況

本文以某煤礦31303工作面為研究載體，該工作面的走向長度為1 090 m。對不同預應力錨桿支護效應進行對比研究，需全面掌握該工作面頂底板情況。經探測得出如表1所示的31303工作面頂底板情況。

表1 31303工作面頂底板情況

根據31303工作面圍巖的穩定性將其分為四類，分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類。其中，Ⅰ類圍巖屬于穩定性圍巖，位于巷道頂板2 m的位置內；Ⅱ類圍巖屬于中等穩定性圍巖，位于巷道頂板2～4 m的位置內；Ⅲ類圍巖屬于不穩定圍巖，圍巖巷道頂板4～6 m的位置內；Ⅳ類圍巖屬于極不穩定圍巖，位于巷道頂板6 m的范圍之內[2]。

2 預應力錨桿支護效應對比

以31303工作面研究載體，當前該工作面采用錨桿支護方式，本節研究錨桿在不同預應力下對巷道圍巖的支護效應進行對比仿真研究，所采用的仿真軟件為ANSYS[3]。所對比預應力的數值為0 MPa、0.02 MPa、0.05 MPa、0.1 MPa以及0.15 MPa，對不同預應力錨桿下巷道圍巖的破壞狀態、應力分布以及圍巖變形等情況進行對比研究。31303工作面巷道的尺寸為：寬度為4 500 mm，高度為4 200 mm。

目前，31303工作面頂板采用左旋螺紋錨桿支護，錨桿直徑為20 mm，長度為2 000 mm，錨桿間排距為1 000 mm，錨桿間距為1 000 mm；巷道兩幫采用玻璃錨桿支護，錨桿直徑為20 mm，長度為2 000 mm，錨桿間排距為1 000 mm，錨桿間距為1 200 mm。除此之外，根據31303工作面巷道頂板的類型對ANSYS模型中的密度、彈性模量、泊松比、內聚力以及內摩擦角等參數進行設置。本節將對31303工作面Ⅱ類、Ⅲ類圍巖不同預應力下的支護效應進行模擬分析。

2.1 Ⅱ類圍巖在不同預應力下的支護效應對比

以Ⅱ類圍巖為例，對其在不同預應力錨桿支護下巷道的支護效應進行對比分析，鑒于偏于有限，本節只列出Y方向的有效應力云圖，仿真結果如下頁圖1所示。分析圖1數值模擬結果，得出如下結論：

當錨桿預應力為0 MPa時，巷道頂板所承受的Y方向的有效應力呈現的紅色范圍最大，即有效應力值最大；當錨桿預應力為0.02 MPa時，對應巷道頂板Y方向有效應力值的紅色區域有所減少；并在當錨桿預應力為0.05 MPa時，對應巷道頂板Y方向有效預應力紅色區域變為黃色，即說明有效應力值較0.02 MPa時得到明顯降低。隨著錨桿預應力值繼續增大至0.1 MPa，Y方向有效應力值變為淺黃色區域，即說明有效應力值較0.05 MPa時得到明顯降低。隨著錨桿預應力值增大至0.15 MPa時，Y方向的有效應力值較0.1 MPa變化不大。

圖1 Ⅱ類圍巖不同預應力錨桿支護效應對比

總的來說，隨著錨桿預應力的增加Ⅱ類圍巖的支護效果逐步變好，而且當預應力從0.1 MPa增大至0.15 MPa時巷道的支護作用變化不大。因此，對于Ⅱ類圍巖對應的最佳錨桿預應力值為0.05～0.1 MPa。

2.2 Ⅲ類圍巖在不同預應力下的支護效應對比

以Ⅲ類圍巖為例，對其在不同預應力錨桿支護下巷道的支護效應進行對比分析，鑒于偏于有限，本節只列出Y方向的有效應力云圖，仿真結果如圖2所示。

圖2 Ⅲ類圍巖不同預應力錨桿支護效應對比

如圖2所示，隨著錨桿預應力的增加，巷道頂板所承受Y方向有效應力值依次減少。其中，當錨桿預應力為0 MPa時對應的紅色區域最大，而當錨桿預應力增大至0.02 MPa時對應的紅色區域有略微的減少，當錨桿預應力增大至0.05 MPa時對應的紅色區域面積得到大幅度減少，并在錨桿預應力為0.1 MPa時應力范圍呈現為淺黃色；并且當錨桿預應力增大至0.15 MPa時對應頂板的受力情況還在改善。

綜上所述，對于Ⅲ類圍巖隨著錨桿預應力的增大其對應的有效應力不斷減小，當錨桿預應力為0.15 MPa時對應的支護效果已經可滿足實際生產的需求。因此，綜合考慮巷道的支護成本和施工難度，針對Ⅲ類圍巖將其最佳錨桿預應力確定為0.1～0.15 MPa。

同樣，采取同樣思路對Ⅰ類圍巖、Ⅳ類圍巖的最佳錨桿預應力區間進行確定，并得出：Ⅰ類圍巖對應的最佳應力區間為0.05～0.1 MPa；Ⅳ類圍巖對應的最佳應力區間為0.1～0.15 MPa。

3 現場支護效果驗證

在對不同預應力錨桿支護效應對比研究的基礎上，結合理論計算針對不同類型圍巖所采取的具體支護參數如下：

Ⅰ類圍巖：錨桿直徑為16 mm，錨桿長度為1 800 mm，每排錨桿數量為4根，錨桿間排距為1 000 mm，錨桿間距為1 000 mm；Ⅱ類圍巖：錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 000 mm，每排錨桿數量為2根，錨桿間排距為1 000 mm，錨桿間距為1 000 mm；Ⅲ類圍巖：錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 200 mm，每排錨桿數量為2根，錨桿間排距為900 mm，錨桿間距為900 mm；Ⅳ類圍巖：錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 400 mm，每排錨桿數量為3根，錨桿間排距為800 mm，錨桿間距為1 000 mm。

在上述支護方案的基礎上，根據第2節數值模擬的結果對錨桿的預應力值進行設置。Ⅰ類圍巖錨桿的預應力為0.05 MPa，Ⅱ類圍巖錨桿的預應力為0.05 MPa，Ⅲ類圍巖錨桿的預應力為0.1 MPa，Ⅳ類圍巖錨桿的預應力為0.1 MPa。

經實踐表明，在上述預應力錨桿支護的作用下31303工作面巷道圍巖得到有效控制。

4 結論

1）Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類圍巖分別對應的最佳錨 桿 預 應 力 區 間 為0.05～0.1 MPa、0.05～0.1 MPa、0.1～0.15 MPa、0.1～0.15 MPa；

2）根據數值模擬結果設定不同類圍巖錨桿預應力，經實踐表明可有效對巷道圍巖進行控制。