不同支護參數下預應力擴散效果分析

王 卓

（山西凌志達煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

能源是維持世界經濟發展的重要保障，其對各國的發展均有著重要的意義。我國已經探明的資源儲量眾多，整體能源格局呈現出多煤、少油、貧氣的格局，所以在我國煤炭資源的重要性不言而喻。在我國煤炭資源開采過程中，支護一直是重要的研究課題。近年來，隨著我國開采年限及開采深度的不斷增加，煤炭資源開采的難度不斷增加，這無疑造成巷道圍巖變形及破碎嚴重的問題，所以支護的難度不斷加大，支護過當及支護不當均對礦井企業有著較多不利因素，所以研究支護問題成為了礦井開采的重要課題[1-2]。此前眾多學者對支護方案進行過研究，但多為支護方案的可行性研究[3-4]。本文基于前人的研究基礎，在考慮諸多因素的情況下對錨桿支護參數與預應力擴散效果之間的關系進行研究，為后續基于錨桿預應力擴散效果的錨桿支護參數選擇提供一定的參考與借鑒。

1 軟弱夾層對預應力擴散的影響

在進行礦井支護方案研究時，由于礦井地質環境較為復雜，環境不可控因素眾多，所以對其進行研究的手段相對匱乏，此時數值模擬計算的優越性就展現出來，其能夠計算不同圍巖情況下巷道圍巖應力場及采掘過程中圍巖位移情況。本文選擇FLAC3D 對巷道頂板中軟弱巖層（泥巖）位于不同層位時，錨桿預應力的擴散效果。

在巷道支護過程中，圍巖與預應力錨桿相互作用，錨桿預應力在圍巖中形成擴散形態及效果，達到預應力錨桿支護作用，首先對泥巖位于頂板0.2 m、0.4 m、0.6 m 和0.8 m 四種層位下錨桿預應力擴散效果進行數值模擬。巷道的斷面選擇4.5 m×2.6 m 的矩形斷面，選定錨桿的型號為Φ20 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為0.8 m、0.8 m，設定錨桿預緊力為60 kN。模型的尺寸設定為長×寬×高=24.5 m×5 m×18 m，對模型進行網格劃分，經過劃分后模型的網格共計527 450 個，對不同軟弱巖層層位下錨桿預應力擴散效果進行分析，模擬云圖如圖1 所示。

圖1 不同軟弱巖層層位下錨桿預應力擴散效果云圖

如圖1 所示，當泥巖位于頂板0.2 m 層位時，此時壓應力區集中在托盤及錨桿端部，拉應力區范圍較大，在托盤位置形成壓應力疊加，在疊加位置的應力為0.98 MPa，壓應力區范圍較小，在支護錨桿的端部未形成應力的疊加，所以錨桿預應力未能有效擴散，擴散效果較差；當泥巖位于0.4 m 層位時，此時的頂板壓應力集中在錨桿桿體端部和桿體尾部，在錨桿錨固外出現拉應力區，同時在錨桿兩端出現應力疊加區，應力疊加區能夠覆蓋錨桿桿體，此時在疊加區的應力值為1.14 MPa，壓應力區的應力值有明顯增大，此時能夠實現預應力的有效擴散，滿足預應力錨桿的支護效果；當泥巖在0.6 m 層位時，此時同樣在每根錨桿的端尾部形成壓應力區，壓應力區同樣能夠覆蓋錨桿桿體，此時在錨桿端部拉應力區有了一定的減小，疊加區的邊界應力值為1.09 MPa，較泥巖層位0.4 m時有了微弱的減小，預應力基本能夠實現擴散；當泥巖在0.8 m 層位時，此時錨桿端尾部形成壓應力區，端部壓應力實現了疊加，此時的擴散范圍較大，范圍邊界應力值為1.14 MPa，錨桿的端部以上拉應力的范圍有了明顯的減小，預應力擴散效果很好。所以當軟弱夾層位于頂板層位0.2 m 以上時，預應力錨桿效果較好，當層位較小時，必須調整支護參數，達到安全生產目的。

2 不同參數下預應力擴散分析

對不同預緊力、錨桿直徑下的錨桿擴散率進行分析，繪制不同預緊力和錨桿直徑下的錨桿擴散率曲線如圖2 所示。

圖2 不同預緊力、錨桿直徑下預應力擴散率曲線

從圖2 可以看出，隨著預緊力的不斷增加，預應力擴散率呈現逐步增大的趨勢，當預緊力為30 kN，此時預應力擴散率為0.38；當預緊力為150 kN，此時預應力擴散率為0.91。由此可以看出，隨著預緊力的增大，預應力錨桿支護的擴散效果越強，支護效果越好。觀察錨桿直徑與預應力擴散率間的關系可以看出，隨著錨桿直徑的不斷增大，預應力擴散率呈現先減小后增大的趨勢，當錨桿直徑為16 mm 時，此時的錨桿預應力擴散率最大為0.86；當錨桿直徑為20 mm 時，此時預應力擴散率最小，最小值為0.69；當錨桿直徑為24 mm 時，此時預應力擴散率為0.76。所以當錨桿直徑為16 mm 時，此時的預應力錨桿支護效果最佳。

對不同間排距、錨桿長度下的錨桿擴散率進行分析，繪制不同間排距、錨桿長度下的錨桿擴散率曲線如圖3 所示。

圖3 不同間排距、錨桿長度下預應力擴散率曲線

從圖3 可以看出，隨著間排距的不斷增加，預應力擴散率呈現逐步減小的趨勢，當間排距為0.6 m、0.6 m，此時預應力擴散率為0.96；當間排距為1.4 m，此時預應力擴散率為0.48。由此可以看出，隨著間排距的增大，預應力錨桿支護的擴散效果逐步減弱，此時由于支護密度的降低，支護效果減弱。觀察錨桿長度與預應力擴散率間的關系可以看出，隨著錨桿長度的不斷增大，預應力擴散率呈現先增大后減小的趨勢，當錨桿長度為1.6 m，此時的錨桿預應力擴散率最大，為0.74；當錨桿直徑為2.0 m，此時預應力擴散率最大，最大值為0.75；當錨桿長度為2.4 m，此時預應力擴散率為0.69。所以當錨桿長度為2.0 m 時，此時的預應力錨桿支護效果最佳。

對四種參數對預應力擴散效果敏感性進行分析，根據曲線的最大值與最小值間的差值進行分析，根據計算可知，對錨桿預應力的擴散率影響因素主次關系排序為：錨桿預緊力＞錨桿間排距＞錨桿直徑＞錨桿長度。所以從上述關系可以看出，錨桿間排距與預緊力是影響錨桿預應力擴散效果最為主要的因素。

3 結論

1）根據模擬研究得出，當軟弱夾層位于頂板層位0.2 m 以上時，預應力錨桿效果較好，當層位較小時，必須調整支護參數，達到維護巷道穩定的目的。

2）隨著預緊力的不斷增加，預應力擴散率呈現逐步增大的趨勢；而隨著錨桿直徑的增大，預應力擴散率呈現先減小后增大的趨勢。

3）隨著間排距的不斷增加，預應力擴散率呈現逐步減小的趨勢；隨著錨桿長度的不斷增大，預應力擴散率呈現先增大后減小的趨勢。