不同錨桿預應力對煤礦井巷支護效果的影響研究

高云龍

（山西鄉寧焦煤集團惠源焦煤有限公司， 山西 鄉寧 042100）

引言

煤礦巷道支護效果是保證工作面安全、高效生產的基礎。錨桿支護作為當前煤礦巷道支護的主流手段之一，能夠實現對巷道圍巖進行加固，提升巷道整體的強度，進而對工作面巷道在水平或者垂直方向上的位移進行限制的作用。隨著錨桿支護理論及應用實踐經驗的積累，對錨桿施加一定的預應力可改善其支護效果，并實現對工作面巷道圍巖的主動支護，避免頂板發生下沉兩幫發生片幫事故[1]，而合理確定預應力錨桿的預應力值是發揮其支護效果的關鍵。本文將對不同錨桿預應力對煤礦井巷支護效應進行研究。

1 工程概況

本文以中煤集團下屬的柳林煤礦為例開展相關研究，該煤礦目前可供開采的煤層包括有2 號、3號、4 號等7 個煤層。其中，本文以2 號煤層所屬工作面為例對錨桿預應力對煤礦井巷的支護效應進行研究。2 號煤層對應的煤層傾角較小，且對應煤層平均厚度為3.5 m。該煤層所屬巷道的形狀為矩形，對應巷道寬度為4.1 m，巷道高度為3.5 m。本文研究的重點為預應力錨桿對巷道頂板及兩幫的支護效果，故需掌握2 號煤層工作面的頂板特性，如表1 所示。

2 不同錨桿預應力支護效果分析

為驗證不同錨桿預應力值對巷道支護效果的影響，本節將對錨桿預應力值為0、50 kN、100 kN、200 kN 等四種預應力錨桿在工作面巷道圍巖所產生的應力值進行模擬分析，所采用數值模擬軟件為MIDAS GTS。根據2 號煤層工作面巷道斷面的尺寸，所建立數值模模型的長度為45 m、寬度為40 m，其中對應巷道的寬度為4.1 m、高度為3.5 m。模型中對應巷道頂板所采用支護錨桿的參數如下：頂板錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 m，每排錨桿與錨桿之間的間距為0.9 m，錨桿排之間的間距為1 m；兩幫錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 m，每排錨桿與錨桿之間的間距為0.9 m，錨桿排之間的間距為1 m。此外，頂板和兩幫錨桿的類型均為左旋螺紋鋼錨桿。

表1 2 號煤層工作面頂板巖層參數

2.1 不同錨桿預應力下巷道圍巖應力場的分布

不同預應力錨桿在支護過程中對工作面巷道圍巖所產生的應力場不同，本節對不同錨桿預應力（0、50 kN、100 kN、200 kN）在工作面巷道支護中所產生的應力場進行逐一分析，當采用普通錨桿支護時，即錨桿預應力值為0 時在巷道圍巖所產生應力場的值為0[2]，故本節注重對預應力值為50 kN、100 kN 和200 kN 的情況進行分析，所得到的數值模擬結果如下頁圖1 所示。

如圖1 所示，當錨桿預應力值小于100 kN 時，隨著預應力的增大對應巷道圍巖所生成的承壓帶的強度和厚度均會明顯增加，但當錨桿預應力值大于100 kN 后，隨著錨桿預應力值的增大對應錨桿巷道圍巖所生成的承壓帶的強度和厚度的變化不明顯[3]。此外，在預應力錨桿的作用下，工作面巷道圍巖所承受以壓應力為主，對提升巷道圍巖的承載能力具有重要意義。

2.2 不同錨桿預應力下X、Z 方向原巖應力場的變化

第2.1 節中著重對不同預應力值對工作面巷道圍巖的應力場變化進行逐一分析，本節將對預應力值分別為 0、50 kN、100 kN 以及 200 kN 下對應的巷道在X 方向原巖應力場的變化進行逐一分析，數值模擬仿真結果如圖2 所示。

圖1 不同預應力錨桿對應巷道圍巖應力場分布模擬結果

如圖2 所示，當工作面巷道開始進行開采后X方向的原巖應力場重新處于平衡狀態，而且在工作面巷道相對較淺的位置，其對應圍巖的承載能力較差；巷道位置越深的部位，對應圍巖的承載能力越強[4]。此外，隨著錨桿預應力值的增加不論是巷道淺部還是在巷道深度所對應的破壞程度均在減弱。

同理，對不同預應力錨桿對Z 方向原巖應力場的變化進行逐一分析。經仿真分析可知，在錨桿支護的作用下，工作面巷道頂板的應力場值大于巷道底板的應力場值；而且，隨著錨桿預應力值的增加對應巷道頂板和底板的應力集中位置不斷向巷道深部轉移。

2.3 不同錨桿預應力下巷道圍巖塑性變形區域分析

本節將對預應力值分別為0、50 kN、100 kN 以及200 kN 下對應的巷道圍巖的塑性變形區域的變化進行逐一分析，數值模擬仿真結果如下頁圖3 所示。

圖2 不同預應力對應X 方向原巖應力場變化分析

如圖3 所示，隨著錨桿預應力值的增加，對應巷道的塑性變形區域越小，而且，若在巷道開采初期就采用預應力錨桿支護，可有效控制巷道塑性變形區域的擴展。與此同時，隨著錨桿預應力值的增加，工作面巷道的承載能力得到提升，對應巷道的拉伸破壞區域和剪切破壞均在適當減小。

經本節對不同預應力錨桿支護對工作面巷道圍巖應力場分布、X 方向上原巖層應力場變化、Z 方向原巖應力場變化以及對巷道圍巖的塑性變形區域等影響進行逐一分析發現，隨著錨桿預應力值的增加巷道的應力集中位置向其深部轉移，且巷道整體的承載能力均在提升；但是，對于巷道承壓帶的強度和厚度而言，當錨桿預應力值小于100 kN 時其增加幅度明顯，當錨桿預應力值大于100 kN 時其變化不明顯。因此，綜合考慮現場施工的難易程度和成本控制，一般將錨桿預應力值控制在100 kN 以下即可。

圖3 不同預應力對應巷道圍巖的塑性變形區域的變化

3 預應力錨桿支護的工程應用效果分析

根據表1 中所列出的2 號煤層頂板各類巖層的參數特性，結合相關理論計算公式得出2 號煤層工作面的理論錨桿支護預應力最小值為41.56 kN。故，將2 號煤層工作面所采用錨桿支護的預應力值設定為42 kN，其對應頂板和兩幫錨桿的參數如下：錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 m，每排錨桿與錨桿之間的間距為0.9 m，錨桿排之間的間距為1 m。同時，頂板和兩幫的錨桿均采用樹脂進行錨桿。

本節將對上述預應力錨桿支護和普通錨桿支護下對巷道兩幫和頂板的圍巖控制效果進行對比，對比結果如表2 所示。

表2 普通錨桿支護和預應力錨桿支護效果對比

如表2 所示，采用預應力錨桿支護后頂板的位移量由普通錨桿支護對應的194 mm 降低為66 mm，降低約66%；采用預應力錨桿支護后兩幫的移近量由普通錨桿支護對應的133 mm 降低為48 mm，降低約64%；而且對應頂板下沉速度和兩幫移近速度明顯降低。

4 結論

錨桿支護為當前對工作面巷道圍巖控制的主要方式，目前預應力錨桿支護可對巷道圍巖應力場、各個方向原巖應力進行重新分布，尤其在工作面開采初期應用預應力錨桿支護可有效控制工作面塑性變形區域的擴展[5]。本文對預應力錨桿支護在2 號煤層工作面的應用進行數值模擬分析和支護效果驗證，具體總結如下：

1）預應力錨桿可有效控制工作面巷道圍巖，尤其是預應力值小于100 kN 時其支護的性價比最高；

2）預應力錨桿在2 號煤層工作面的應用，與普通錨桿支護相比較其頂板位移量減少約為66%，兩幫移近量減少約為64%。