復(fù)合巖層錨桿支護(hù)應(yīng)力變化研究分析

侯 偉

（1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

引言

煤礦開采過程中的巷道支護(hù)是保證礦井安全的必備條件，我國地下開采的煤礦眾多，巷道支護(hù)的安全性對我國煤礦的生產(chǎn)安全具有重要的影響。錨桿支護(hù)是我國巷道支護(hù)發(fā)展應(yīng)用的新技術(shù)，具有支護(hù)效果好、回采速度快的優(yōu)點(diǎn)[1]，并可降低現(xiàn)場施工作業(yè)的強(qiáng)度，在煤礦巷道支護(hù)中取得了廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行巷道錨桿支護(hù)的過程中，錨桿的預(yù)應(yīng)力是保證支護(hù)安全的重要參數(shù)，特別是隨著礦井地質(zhì)條件的變化[2]，復(fù)合巖層中錨桿的應(yīng)力分布擴(kuò)散對改善巖層的力學(xué)性能及支護(hù)安全具有重要的影響，預(yù)應(yīng)力場是巖體與錨桿相互作用的基礎(chǔ)[3]，對于錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)使用具有重要的意義。針對錨桿進(jìn)行復(fù)合巖層支護(hù)時(shí)應(yīng)力的變化采用實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行分析研究，從而對煤礦巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)使用提供參考，提高煤礦支護(hù)的安全性。

1 錨桿復(fù)合巖層支護(hù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

煤礦進(jìn)行地下開采的過程中，由于煤層埋藏的地質(zhì)條件多為沉積巖及層狀地層，巷道進(jìn)行支護(hù)多作用在井下的復(fù)合巖層中，復(fù)合巖層各層間的黏接力、強(qiáng)度等具有較大的差異性，對錨桿的支護(hù)性能具有較高的要求[4]。在進(jìn)行煤礦開采的過程中，錨桿支護(hù)在復(fù)合巖層中的穿層順序、錨固方式、錨桿數(shù)量等均對錨固的效果具有重要的影響，選擇單根錨桿由硬巖向軟巖方向錨固作為實(shí)驗(yàn)的對象，在硬巖表面施加相應(yīng)的預(yù)緊力，對錨桿在復(fù)合巖層中穿層時(shí)預(yù)應(yīng)力場的分布進(jìn)行研究。

實(shí)驗(yàn)采用左旋螺紋鋼錨桿，直徑為22 mm，錨桿長度為2.4 m，模擬巖層中錨桿的鉆孔直徑為30 mm，采用樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，錨固劑的直徑為23 mm，長度為35 mm，進(jìn)行錨桿端部錨固的長度為445 mm，錨桿錨固示意如圖1 所示，其中（a）段為軟質(zhì)巖層，（b）段為硬質(zhì)巖層，軟硬巖層的體積相同，在軟硬巖層交界面位置不采用錨固劑。

實(shí)驗(yàn)過程中對復(fù)合巖層采用水泥砂漿作為相似材料進(jìn)行模擬，將水泥與砂進(jìn)行混合制備，通過改變不同的水、水泥及砂的比例及不同型號的水泥改變砂漿的力學(xué)性能，從而模擬不同的巖層。實(shí)驗(yàn)過程中制備兩種水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度相差2 倍以上模擬不同巖層的復(fù)合作用，軟巖砂漿的強(qiáng)度為15 MPa，硬巖砂漿的強(qiáng)度為30 MPa，對水泥砂漿在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

實(shí)驗(yàn)過程中對錨桿在一定預(yù)緊力作用下的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括對錨桿預(yù)緊力的采集及應(yīng)力場的采集，錨桿的預(yù)緊力采用ZHC-35型載荷傳感器通過應(yīng)變片的形式進(jìn)行采集，從而在給定的預(yù)緊力作用下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析；錨桿支護(hù)的應(yīng)力場的變化數(shù)據(jù)通過在模型內(nèi)部布置大量的XYJ-2 型埋入式混凝土應(yīng)變傳感器采集，將埋入式傳感器制作成應(yīng)變塊從而提高傳感器采集的穩(wěn)定性，避免傳感器的損壞。數(shù)據(jù)采集過程中，傳感器的長度為150 mm，將其埋入200 mm×60 mm×60 mm 的混凝土模塊中，每間隔100 mm 埋入一個(gè)應(yīng)變塊，在高度方向上，每間隔125 mm 為一個(gè)監(jiān)測平面，從而實(shí)現(xiàn)對模型塊內(nèi)部應(yīng)力的測量，應(yīng)力測試傳感器的布置如下頁圖2 所示，其中1、2、3、4 為固定的4 根錨桿，傳感器全部布置在區(qū)域I 中。

實(shí)驗(yàn)過程中對4 根錨桿進(jìn)行單獨(dú)加載分析，對1號錨桿加載時(shí)，得到I 號區(qū)域內(nèi)復(fù)合巖層的應(yīng)力變化，2 號錨桿加載時(shí)，得到2 號錨桿在I 號區(qū)域內(nèi)復(fù)合巖層的應(yīng)力變化，以此類推，由于模型的對稱性分布，經(jīng)過4 根錨桿的測試，對稱得到1 號錨桿為中心時(shí)周圍2×2 m 內(nèi)的應(yīng)力，從而得到錨桿在復(fù)合巖層中支護(hù)應(yīng)力的變化。

2 錨桿復(fù)合巖層支護(hù)應(yīng)力的變化結(jié)果分析

對4 根錨桿在預(yù)緊力100 kN 的作用下分別進(jìn)行測試，將得到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，得到以錨桿為中心時(shí)復(fù)合巖層的應(yīng)力變化在高度方向上的截面如圖3 所示。在支護(hù)過程中，區(qū)域內(nèi)為軟硬復(fù)合巖層，其中錨桿沿Y 方向0～1 500 mm 為軟巖層，1 500～3 000 mm 為硬質(zhì)巖層，錨固段為2 000～2 400 mm，自由段為0～2 000 mm。從圖3 中可以看出，在復(fù)合巖層中進(jìn)行支護(hù)形成的應(yīng)力場分布與單一巖層的類似，在自由段的兩端形成了較大的兩個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)域，在錨固段形成了一個(gè)拉應(yīng)力集中區(qū)域，形成應(yīng)力分布的兩壓一拉區(qū)域。在軟硬巖層鉸接的結(jié)構(gòu)面上，應(yīng)力在兩側(cè)有一定的積聚，形成了較高的壓應(yīng)力帶，且硬巖部分的應(yīng)力帶更多。

對應(yīng)力在錨桿軸向分布變化進(jìn)行分析，選取不同X 方向上的應(yīng)力沿著Y 方向的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到應(yīng)力沿錨桿軸線的變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，進(jìn)行復(fù)合巖層支護(hù)時(shí)，沿著錨桿軸向方向Y 值的增加，壓應(yīng)力呈快速減小的趨勢，在靠近錨固段的位置時(shí)逐漸升高，然后轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，呈逐漸上升的趨勢。在X 方向不同的位置處，遠(yuǎn)離錨桿位置處的應(yīng)力變化逐漸減緩，靠近錨桿位置處的應(yīng)力變化較快，這與單一巖層支護(hù)的應(yīng)力變化一致。其中在Y=1 500 mm軟硬巖層的結(jié)構(gòu)面位置，壓應(yīng)力的作用快速上升。

在錨桿的中心位置處，對錨桿支護(hù)的應(yīng)力沿X方向的擴(kuò)散半徑進(jìn)行分析，得到如圖5 所示的應(yīng)力變化曲線，從圖5 中可以看出，在復(fù)合巖層支護(hù)的應(yīng)力峰值在錨桿的軸線位置，且沿著擴(kuò)散半徑迅速的衰減，這與單一巖層的應(yīng)力擴(kuò)散相似。不同之處在于在軟硬巖層的結(jié)構(gòu)面存在巖層的差異，此時(shí)在擴(kuò)散半徑500 mm 之內(nèi)的壓應(yīng)力值較高，這說明錨桿支護(hù)在復(fù)合巖層中在結(jié)構(gòu)面形成了較廣泛的壓應(yīng)力區(qū)域，可以有效抵抗結(jié)構(gòu)面的離層，提高支護(hù)的安全性。

3 結(jié)論

采用實(shí)驗(yàn)分析的方式對單根錨桿進(jìn)行復(fù)合巖層支護(hù)的應(yīng)力進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)采用端部錨固加載的方式進(jìn)行，結(jié)果表明：

1）單根錨桿進(jìn)行復(fù)合巖層支護(hù)過程中應(yīng)力分布與單一巖層的類似，形成應(yīng)力分布的兩壓一拉區(qū)域；

2）應(yīng)力分布沿錨桿軸線的不同位置處分布與單一巖層支護(hù)的應(yīng)力變化一致，遠(yuǎn)離錨桿位置處的應(yīng)力變化逐漸減緩，靠近錨桿位置處的應(yīng)力變化較快；

3）應(yīng)力分布沿X 方向的擴(kuò)散半徑迅速衰減，與單一巖層的應(yīng)力擴(kuò)散相似，在擴(kuò)散半徑500 mm 之內(nèi)的壓應(yīng)力值較高，形成壓應(yīng)力作用帶，抵抗復(fù)合巖層的離層。