大斷面煤巷錨桿支護設計研究

張智明

（晉能控股集團大斗溝煤業公司機掘一隊， 山西 大同 037001）

引言

隨著煤炭開采業的不斷發展，大采高、綜放技術和綜采技術不斷趨于成熟。現階段，許多煤礦的回采巷道以及大巷都是在煤層中掘進的，這使得巷道內形成許多大斷面矩形煤巷。大斷面矩形煤巷具有支護方便、開挖簡單、斷面利用率高、可滿足各類設備運輸需求等特點，被各大煤炭企業廣泛應用。但大斷面矩形煤巷技術也有其弊端，煤巷圍巖松軟易碎以及大斷面的形成，使得煤巷圍巖極易發生變形且幅度較大，再加上巷道維護困難較大，煤巷內頂板事故發生極為頻繁[1]。針對這一現象，本文以某煤礦為例，采用預應力錨桿與錨索結合的支護方法對該煤礦進行錨桿支護設計分析，以期對大斷面矩形煤巷錨桿支護研究有所幫助。

1 大斷面矩形煤巷圍巖應力變化分析

隨著綜放技術與綜采技術的發展，巷道斷面面積不斷增加，許多巷道斷面已達到20 m2，并且大多數為全煤巷道。現階段，對于大斷面巷道的范圍定義尚不明確，通常將綜放與大采高回采巷道認定為大斷面。

在巷道未開挖時，巖體處于三向應力平衡狀態。開挖后，原有的應力狀態遭到破壞，巖體出現應力升高與應力下降區，使得巖體發生變形現象。圍巖應力的具體變化為：巷道的開挖會使圍巖應力四散，減小圍巖的徑向應力，增大圍巖的切向應力。徑向應力減小后，圍巖的三向應力會轉變為單雙向應力，降低圍巖強度。當圍巖強度大于切向應力時，該圍巖將處于穩定狀態。當圍巖強度小于切向應力時，圍巖將被破壞。矩形巷道的開挖會使頂板的水平應力增加和垂直應力減小，而巷道兩幫的應力則相反，為水平應力減小和垂直應力增加。兩幫會在應力作用下發生變形，頂板會在應力作用下發生彎曲下沉。由于頂板所受變形應力較大，故頂板會先出現破壞，從而將應力向兩幫集中，再造成兩幫變形破壞[2-3]。

2 預應力錨桿支護數值模擬分析

普通的錨桿支護對于圍巖只有加固與支護作用，只有當圍巖發生變形時，錨桿才會對圍巖產生加固與支護作用，屬于被動支護方法。由于大斷面煤巷圍巖較為松軟且易破碎，低預應力、低強度的被動支護錨桿的支護效果十分不理想。故本文提出采用預應力錨桿支護的方法，巷道開挖圍巖發生應力變形后，預應力錨桿可及時對圍巖進行加固支護，防止圍巖發生進一步變形，提升圍巖穩定性。

本文擬使用FLAC3D 軟件對預應力錨桿支護過程的擴散規律進行數值模擬分析。模擬范圍設定為55 m×20 m×44 m，可生成52 920 個節點與48 400個網格。煤巷開挖5 m×20 m×4 m 的矩形巷道，采用預應力錨桿支護方法，錨桿對圍巖產生壓應力并不斷擴散，壓應力的重疊作用使得圍巖形成穩定的壓縮帶，提高圍巖穩定性[4-5]。

2.1 單錨桿預應力模擬分析

錨桿預應力擴散的規律主要與錨桿的長度與預緊力大小有關。通過模擬不同預緊力作用與不同錨桿長度下的預應力擴散，可分析出預緊力與長度的變化對預應力擴散造成的影響[6-7]。長度、預緊力與預應力擴散關系示意圖如下頁圖1 所示。

圖1-1 為100 kN 預緊力作用下，單錨桿不同長度的壓應力擴散關系示意圖。100 kN 的預緊力會使錨桿對圍巖形成最大0.1 MPa 的壓應力，錨桿長度的增加使得壓應力也呈增加趨勢。錨桿預應力擴散的位置主要在錨桿尾部的1 m 范圍內，1 m 范圍以外的壓應力范圍減小且呈減弱趨勢。壓應力隨著錨桿長度在適當范圍內的增長而增加，但增加幅度較小，當長度超過一定范圍后，壓應力有部分減弱現象。故錨桿長度在一定范圍內可適當增加，但不宜超過。

圖1-2 為錨桿長度為2.2 m 時，預緊力變化對壓應力擴散影響的關系示意圖。當預緊力為30 kN 時，圍巖壓應力為0.028 MPa，隨著預緊力的增加壓應力也隨之增加。當預緊力為150 kN 時，壓應力達到0.14 MPa。運用摩爾強度理論，可得圍巖抗壓強度預圍巖壓應力關系式為：

圖1 長度、預緊力與預應力擴散關系示意圖

式中：σ1為圍巖抗壓強度，MPa；σ3為圍巖的壓應力，MPa；φ 為內摩擦角，（°）；c 為巖石內聚力，kN。

2.2 錨桿群預應力模擬分析

錨桿群預應力的模擬分析主要需對不同預緊力與不同間排距兩種情況的數值模擬分析。預緊力設定為100 kN，長度設定為2.2 m 時的不同間排距的預應力擴散圖，如圖2 所示。錨桿間有較大間排距時，錨桿壓應力較為獨立，不存在有效的壓應力區。隨著間排距的不斷減小，錨桿間逐漸形成重合區直到成為整體，形成有效圍巖，提高圍巖強度。頂錨桿與兩幫錨桿的布置大多為直墻拱形，故壓應力圈也易形成直墻拱形，壓應力圈由圍巖邊界向內部不斷減小。圍巖與錨桿相互作用形成三向應力，使得圍巖強度大幅增加，再加上錨桿本身具有抗剪切力的性能，使得錨固體內部加固圈十分穩定，對于上部以及周邊圍巖施加的載荷可以有效支撐，保持整體的穩定性[8-10]。

圖2 不同間排距的預應力擴散圖

由于加固圈強度的大小是由圍壓決定的，而圍壓又由錨桿預緊力決定。故預緊力大小對穩定性的分析至關重要。長度為2.2 m，間排距為1 m 時不同預緊力的預應力擴散圖，如圖3 所示。當預緊力較小時，對圍巖強度強化作用較小。隨著預緊力的不斷增加，壓應力圈數值也不斷增大，當壓應力圈數值達到一定程度后，圍巖強度足以支撐上部以及周邊圍巖的切向與徑向載荷時，即可以形成加固拱，提升圍巖的穩定性。

圖3 不同預緊力的預應力擴散圖

2.3 錨桿錨索聯合支護

通過對錨桿錨索聯合支護進行模擬分析后發現，錨索支護的增加使得壓應力圈數值與范圍得以大幅提高，普遍在0.25 MPa 以上，最高可達0.5 MPa，加固圈穩定性大幅提升。

3 應用分析

將上述方法應用某煤礦的實際生產之中，通過FLAC 3D 模擬軟件可得錨桿預緊力需施加100 kN，錨索預緊力需施加200 kN，巷道內錨桿安裝為每隔1 m安裝一排。按上述參數進行大斷面煤巷錨桿支護后發現，圍巖變形得到有效控制，支護系統穩定性得以提升，大斷面煤巷安全得以保障，符合大斷面煤巷錨桿支護的設計要求。

圖4 錨桿錨索聯合支護

4 結論

隨著煤炭開采技術的不斷發展，巷道大斷面的形成越來越多。大斷面的松軟易碎使得巷道內的作業安全受到巨大威脅。針對這一現象，本文對大斷面煤巷錨桿支護進行了研究分析，并得出了以下結論：

1）壓應力隨著錨桿長度與預緊力的增加而增加，但錨桿長度影響較小，可忽略不計。由于間排距的縮小，錨桿間會逐漸形成重合區，直到成為整體，從而形成有效圍巖，提高圍巖強度。

2）錨桿錨索聯合支護可使壓應力圈數值與范圍大幅提高，是大斷面煤巷錨桿支護的有效方法。通過FLAC 3D 模擬軟件可得支護參數為：錨索預緊力200 kN，錨桿預緊力100 kN 以及巷道內錨桿安裝為每隔1 m 安裝一排。

3）按上述方法進行錨桿支護，大斷面煤巷圍巖變形較小，支護系統穩定性，大斷面煤巷安全性得以有效提升。