回采巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)作用數(shù)值分析

武小冬

（山西臨縣西山晟聚煤業(yè)有限公司，山西 臨縣033200）

煤炭資源作為我國(guó)主要的能源主體在我人民生產(chǎn)生活中占據(jù)了十分重要的地位，根據(jù)2017年的統(tǒng)計(jì)我國(guó)煤炭資源的消耗占我國(guó)能源消耗總量的62%，且隨著工業(yè)化的推進(jìn)其能源消耗主體地位不會(huì)發(fā)生改變。隨著開(kāi)采年限的不斷增大，賦存條件較為簡(jiǎn)單的煤層已經(jīng)逐步完成開(kāi)采，開(kāi)采的重點(diǎn)已經(jīng)逐步向著賦存條件較為惡劣的煤層進(jìn)行轉(zhuǎn)化。為了實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效的開(kāi)采，提升巷道的成巷速度，對(duì)支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化提升逐步成為了我國(guó)煤礦開(kāi)采的重要課題[1,2]。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)作為一種自主動(dòng)支護(hù)體系具備掘進(jìn)快、成本低、支護(hù)效果好等特點(diǎn)，但錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)由于支護(hù)參數(shù)及耦合的原因時(shí)長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)圍巖變形大、速度快造成支護(hù)不及時(shí)，使得圍巖未得到有效的控制，同時(shí)由于支護(hù)過(guò)度造成資源浪費(fèi)。所以對(duì)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)參數(shù)選定進(jìn)行研究是十分有必要的。此前眾多學(xué)者對(duì)此課題進(jìn)行了一定的研究[3,4]。本文通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行建模分析，給出了錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)合理值，為巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)提供一定的參考。

1 模型建立

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)并不是簡(jiǎn)單的加強(qiáng)支護(hù)，而是相互影響的支護(hù)方案，當(dāng)進(jìn)行軟弱圍巖支護(hù)時(shí)，聯(lián)合支護(hù)相互互補(bǔ)，將錨索和錨巖支護(hù)體進(jìn)行有效的結(jié)合，由于軟弱圍巖在掘進(jìn)初期變形量較大，此時(shí)加入錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)由于圍巖的變形量較大極易造成錨索的斷裂，單純的錨桿支護(hù)通過(guò)其相互的擠壓作用使得圍巖和錨桿形成具有一定載荷能力的錨固體，此時(shí)錨固體可以存在一定的變形，將圍巖內(nèi)部的彈性應(yīng)變能進(jìn)行有效的釋放，使之在一定程度上達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)加裝錨索，由于此時(shí)圍巖變形量較低，對(duì)錨索變形量的要求不高，從而大大降低了圍巖的變形量，提升了錨固體的穩(wěn)定性，改善了圍巖的環(huán)境。

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)形式下成拱的作用機(jī)理是利用錨索網(wǎng)與圍巖組成拱，在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加，使得大變形圍巖的整體抗剪程度大大提升，同時(shí)施加錨索預(yù)應(yīng)力使得巷道頂板的應(yīng)力張量得到一定的緩減，使得頂板的抗變形能力得到一定的提升。同時(shí)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)下使得巷道巖石的冒落得到控制，有效提升了巷道的穩(wěn)定性。

為了對(duì)聯(lián)合支護(hù)下巷道頂板的運(yùn)移進(jìn)行一定的研究，本文選定FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況對(duì)模型進(jìn)行建立，巷道的尺寸設(shè)計(jì)為4.5 m×2.9 m，巷道埋深為300 m，經(jīng)過(guò)對(duì)巷道影響范圍進(jìn)行計(jì)算，給出影響范圍的半徑為13.4 m，為了消除邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)模型長(zhǎng)寬高分別為40 m、4 m和40 m，完成模型尺寸設(shè)計(jì)后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮實(shí)際模擬情況，選擇對(duì)巷道的頂板及兩幫位置進(jìn)行模型的細(xì)化分。對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)參數(shù)的設(shè)定，根據(jù)地質(zhì)資料，將模型從上到下分為5層，分別為6 m細(xì)砂巖、12.5 m的泥巖、6 m的煤層、10.5 m的泥巖及5 m的粉砂巖。根據(jù)巖石力學(xué)屬性對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。完成模型參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，對(duì)模型下邊界進(jìn)行固定約束設(shè)置，左右兩邊限制移動(dòng)，在模型上端施加覆巖自重約為6.5 MPa。完成模型設(shè)定后對(duì)模型的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行一定的設(shè)置，模型頂板錨桿的參數(shù)：錨桿直徑20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm，錨桿布置間排距為800 mm×1 000 mm，錨桿的預(yù)應(yīng)力為60 kN；左幫錨桿的參數(shù)為：錨桿直徑18 mm，錨桿長(zhǎng)度為1 800 mm，錨桿布置間排距為750 mm×1 000 mm，錨桿的預(yù)應(yīng)力為40 kN；頂板錨桿的參數(shù)為：錨桿直徑18 mm，錨桿長(zhǎng)度為1 800 mm，錨桿布置間排距為750 mm×1 000 mm，錨桿的預(yù)應(yīng)力為40 kN；頂板錨索直徑17.8 mm，錨桿長(zhǎng)度為6 000 mm，錨索布置間排距為1 900 mm×3 000 mm，錨桿的預(yù)應(yīng)力為200 kN。完成模型設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 模擬計(jì)算

首先對(duì)測(cè)點(diǎn)距離工作面距離82 m、62 m、32 m、12 m四種工況進(jìn)行分析，模擬位移云圖如圖1所示。

圖1 不同工況下位移云圖

從圖1可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面距離巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐步靠性。考慮到模擬巷道斷面為矩形，所以在巷道的斷面易形成拉應(yīng)力區(qū)，同時(shí)在巷道的頂板邊角處也易出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致巖體發(fā)生破壞。可得出采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)后可有效的控制了圍巖的位移。使得回采巷道的礦壓顯現(xiàn)來(lái)看，巷道圍巖的變形主要由兩部分組成；一邊為支承壓力下圍壓產(chǎn)生的變形；另一個(gè)是由于圍巖的應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形。由于讓壓錨桿的支護(hù)存在一定的可縮性，使得錨桿可隨圍巖變形進(jìn)行一定的伸縮調(diào)節(jié)，從而釋放一定的變形能，保障了巷道的穩(wěn)定性。當(dāng)用錨桿支護(hù)時(shí)會(huì)形成組合拱結(jié)構(gòu)，很大程度上可以抑制沿走向圍巖的松動(dòng)變形，使巷道具有很好的穩(wěn)定，在一定程度限制變形。

不同工況下巷道頂板底板變形量及巷道兩幫變形量對(duì)比圖如圖2所示。

如圖2所示，在模型巷道布置的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。隨著工作面每向前推進(jìn)10 m，位移監(jiān)測(cè)記錄一次位移變化，得出不同工況下巷道的應(yīng)力及變形云圖。根據(jù)巷道頂板底板移近量及巷道兩幫移近量對(duì)比圖可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)和工作面的距離隨之減小，此時(shí)巷道底板的表面位移呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)工作面與測(cè)點(diǎn)的距離為90 m時(shí)，此時(shí)巷道底板的變形量為19 mm；隨著工作面距監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離減小至2 m時(shí)，巷道底板的變形量增大為40 mm，底板的變形量增大了21 mm。巷道底板的位移變形趨勢(shì)大致呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的趨勢(shì)，當(dāng)工作面距監(jiān)測(cè)點(diǎn)為60 m時(shí)，此時(shí)巷道頂板表面位移出現(xiàn)增大的情況，巷道頂板的變形量為90 mm；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，巷道頂板變形量逐步降低，當(dāng)工作面持續(xù)推進(jìn)至40 m時(shí)，此時(shí)巷道頂板位移量逐步趨于平穩(wěn)，變形約23 mm；工作面距測(cè)點(diǎn)小于20m時(shí)，巷道頂板的位移量增大，增大至110 mm。這是由于隨著工作面推進(jìn)至60 m的位置時(shí)，此時(shí)工作面的超前支撐壓力作用于頂板，造成巷道頂板的位移量增大，當(dāng)距工作面20 m，此時(shí)由于工作面?zhèn)认蛑螇毫εc超前支撐應(yīng)力共同作用，巷道頂板表面位移再次升高。

圖2 巷道頂板底板移近量及巷道兩幫變形對(duì)比圖

由圖2可以看出，隨著工作面距測(cè)點(diǎn)距離的不斷縮小，巷道兩幫位移量呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)，對(duì)比左幫右?guī)臀灰谱冃瘟堪l(fā)現(xiàn)，巷道左幫位移變化量小于右?guī)汀Ｗ髱臀灰谱畲笞兓考s35 mm，右?guī)妥畲笪灰谱冃瘟考s為18 mm，這是由于頂板應(yīng)力向底板轉(zhuǎn)移過(guò)程中，作用于幫部所致，而右?guī)褪艿降牟捎绊戄^大。

3 結(jié)論

1）本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)巷道變形進(jìn)行分析，給出了建模步驟，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

2）對(duì)測(cè)點(diǎn)距離工作面距離82 m、62 m、32 m、12 m四種工況位移云圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)可有有效限制圍巖的松動(dòng)變形，維護(hù)巷道穩(wěn)定性。

3）通過(guò)對(duì)不同工況下巷道頂板底板變形量及巷道兩幫變形量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著工作面距測(cè)點(diǎn)距離的不斷縮小，巷道兩幫位移量呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)，頂板底板移近量呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)。