底角錨桿在巷道底鼓中的應(yīng)用研究

摘 要：隨著我國煤炭開采深度不斷增大，井下巷道所受的圍巖應(yīng)力也不斷增大，造成巷道底鼓顯現(xiàn)頻發(fā)，文章介紹了對底角錨桿控制技術(shù)和作用機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)的介紹，并通過應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對深部巷道有無底角錨桿進(jìn)行了相關(guān)的模擬，模擬結(jié)果顯示通過施加底角錨桿可以很好的控制巷道底鼓的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：底鼓；底角錨桿；數(shù)值模擬

引言

隨著開采深度的增加的，巷道產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探索來控制巷道產(chǎn)生底鼓，主要體現(xiàn)在兩個方面：一個是預(yù)防底鼓的產(chǎn)生，可通過松動爆破、切縫卸壓、鉆孔卸壓、可縮性封閉金屬支架、底板打錨桿、錨索調(diào)動深部圍巖強(qiáng)度、底板注漿等技術(shù)方法，二個是對底鼓巷道進(jìn)行起地，清除鼓起的巖石及煤塊。

1 底角錨桿

1.1 底角錨桿控制技術(shù)

根據(jù)底鼓防治技術(shù)和現(xiàn)場實踐表現(xiàn)可以看出，通過給巷道底板增加底角錨桿，可以對底板幫角巖體進(jìn)行加固，從而生產(chǎn)加固圈，使底板穩(wěn)定性增加。底角錨桿的作用主要體現(xiàn)在以下幾點：一是進(jìn)行底角錨桿施工可以分散底角區(qū)應(yīng)力的集中，使圍巖受力條件改變，在底角區(qū)可以形成較高的承載拱，使底角圍巖塑性區(qū)向深部發(fā)展降低，增加了底角區(qū)圍巖的自承能力，降低了兩幫部的塑性變形；二是底角錨桿的施工能夠阻止巷道幫部的塑性滑移線，降低了兩側(cè)幫部的擠壓力，從而有效地控制底鼓。

1.2 底角錨桿的作用機(jī)理

巷道底部圍巖體簡化成彈塑性介質(zhì)，對擠壓流動性底鼓的速度場和滑移線場的表示如圖1所示。

圖中Ps=γH，Ps為底板受松動圍巖的壓力，γ為巖石比重，H為圍巖的松動高度；φ為圍巖的內(nèi)摩擦角，a是巷道寬度；b是圍巖的松動寬度；A、B為底板圍巖的兩組滑移線，DGCFE線為間斷線。

根據(jù)滑移線的速度場性質(zhì)可推導(dǎo)出：圖1中，△BEF、△ADG分別與x軸成-（4/π-？漬/2），整體移動的方向是（4/π-？漬/2），同時根據(jù)間斷線知，所移動的方向與AG、BF垂直。

扇形區(qū)BFC、AGC做整體移動的方向徑向法線圍繞A、B兩點。要使圍巖的移動方向垂直錨桿軸向，需要在BF、AG直線上布置錨桿。圍巖要進(jìn)行移動就必須抵消掉錨桿的繞流阻力。在Ps-P等于繞流阻力時，巷道底部處在一種極限的平衡狀態(tài)，底鼓就不會發(fā)生。即便布置在A、B點上的錨桿失去作用，底板中部的移動量也遠(yuǎn)大于圍巖對巷道空間的移動量。試驗與現(xiàn)場分析也可以看出用底角的加固技術(shù)來提高底角的巖體的穩(wěn)定性是可以的，同時對于底角穩(wěn)定性來控制底鼓的支護(hù)理論也是可以行的，對于治理底鼓效果顯著。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)巷道圍巖賦存特性、巷道地質(zhì)資料及巖石、錨索錨桿、噴砼層的力學(xué)特性，建立模型，該模型的長*寬*高等于50m×30m×50m，劃分出35210個單元所形成的結(jié)構(gòu)單元4166個，節(jié)點39166個，限制模型側(cè)面的水平移動，對底部進(jìn)行固定，模型上表面添加應(yīng)力邊界，載荷為22MPa，模擬巖層傾角為20°，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為巖體破壞準(zhǔn)則，建立的模型如圖2，力學(xué)參數(shù)見表1所示。

2.2 巷道力學(xué)分析

2.2.1 無底角錨桿應(yīng)力場分析

圖3所示為底板應(yīng)力分布圖，右肩部及底板出現(xiàn)3.16MPa的小范圍拉應(yīng)力，別的部分為壓應(yīng)力5.0MPa，肩部及左幫的壓應(yīng)力為25MPa。分析原因可知，是由于底板及右?guī)蛶r石強(qiáng)度低，受到拉應(yīng)力后使圍巖體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度減小。應(yīng)力給深部轉(zhuǎn)移過程中，由于左幫巖石強(qiáng)度大于所受應(yīng)力，巖石無法被破壞，造成應(yīng)力集中。

2.2.2 施加底角錨桿應(yīng)力場分析

圖4所示顯示的是施工底角錨桿后巷道圍巖的應(yīng)力分布云圖。對底角周邊施工錨桿后，根據(jù)底角錨桿的力學(xué)特性影響，巷道兩肩部和底板的壓應(yīng)力分別是25MPa和5MPa，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。圖4中顯示兩側(cè)的應(yīng)力影響區(qū)域變小，底板及兩側(cè)所受壓應(yīng)力分別是20MPa和2.5MPa，表明應(yīng)力在向深部移動。

3 結(jié)束語

文章通過對底角錨桿的控制技術(shù)和相關(guān)原理進(jìn)行了簡單的介紹，并通過數(shù)值模擬的方法對深部巷道有無底角錨桿進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬，相似模擬得出的結(jié)果說明通過對底板施工底角錨桿可以使應(yīng)力集中區(qū)向巷道深部移動進(jìn)一步減少在巷道底角區(qū)域出現(xiàn)，從而減少圍巖應(yīng)力對巷道底板產(chǎn)生的影響。進(jìn)而將巷道底鼓控制在最低的限度內(nèi)，可以有效地控制巷道底鼓的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1]李開學(xué)，王宏圖，劉正海.巷道底鼓理論與防治技術(shù)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35（3）：86-88.

[2]曾開華，王春光，王桂蓮，等.底角錨桿抗剪特性研究[J].金屬礦山，2009，2：63-66.

[3]楊生彬，何滿潮，劉文濤，等.底角錨桿在深部軟巖巷道底臌控制中的機(jī)制及應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（增1）：2913-2920.

[4]李占金，何滿潮，唐強(qiáng)達(dá).高水平應(yīng)力條件下錨網(wǎng)索耦合支護(hù)機(jī)理分析與應(yīng)用[J].中國礦業(yè)，2008，17（7）：65-68.

作者簡介：馬小豐（1984），男，河南焦作人，助理工程師，2007年本科畢業(yè)于河南理工大學(xué)電氣工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于陜煤彬長胡家河礦業(yè)有限公司，從事于煤礦安全管理等工作。