不同預(yù)應(yīng)力下巷道支護(hù)效應(yīng)的數(shù)值模擬分析

任學(xué)軍

（西山煤電西曲礦，山西 古交030200）

引言

錨桿支護(hù)為綜采工作面巷道支護(hù)的主要方式，其中預(yù)應(yīng)力錨桿能夠在巷道圍巖頂板形成組合梁，對(duì)巷道頂板起到加固、穩(wěn)定的作用，與此同時(shí)也解決了巷道兩幫片幫的現(xiàn)象。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)而言，預(yù)應(yīng)力值的選取尤為重要[1]。預(yù)應(yīng)力值過大會(huì)使錨桿從巖層中拔離，預(yù)應(yīng)力值過小未能夠有效控制巷道圍巖的離層現(xiàn)象。以某礦31303工作面為例，研究在不同預(yù)應(yīng)力下巷道支護(hù)效應(yīng)，從而得出最佳錨桿預(yù)應(yīng)力區(qū)間。

1 工程概況

本文以某煤礦31303工作面為研究載體，該工作面的走向長(zhǎng)度為1 090 m。對(duì)不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比研究，需全面掌握該工作面頂?shù)装迩闆r。經(jīng)探測(cè)得出如表1所示的31303工作面頂?shù)装迩闆r。

表1 31303工作面頂?shù)装迩闆r

根據(jù)31303工作面圍巖的穩(wěn)定性將其分為四類，分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類。其中，Ⅰ類圍巖屬于穩(wěn)定性圍巖，位于巷道頂板2 m的位置內(nèi)；Ⅱ類圍巖屬于中等穩(wěn)定性圍巖，位于巷道頂板2～4 m的位置內(nèi)；Ⅲ類圍巖屬于不穩(wěn)定圍巖，圍巖巷道頂板4～6 m的位置內(nèi)；Ⅳ類圍巖屬于極不穩(wěn)定圍巖，位于巷道頂板6 m的范圍之內(nèi)[2]。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效應(yīng)對(duì)比

以31303工作面研究載體，當(dāng)前該工作面采用錨桿支護(hù)方式，本節(jié)研究錨桿在不同預(yù)應(yīng)力下對(duì)巷道圍巖的支護(hù)效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比仿真研究，所采用的仿真軟件為ANSYS[3]。所對(duì)比預(yù)應(yīng)力的數(shù)值為0 MPa、0.02 MPa、0.05 MPa、0.1 MPa以及0.15 MPa，對(duì)不同預(yù)應(yīng)力錨桿下巷道圍巖的破壞狀態(tài)、應(yīng)力分布以及圍巖變形等情況進(jìn)行對(duì)比研究。31303工作面巷道的尺寸為：寬度為4 500 mm，高度為4 200 mm。

目前，31303工作面頂板采用左旋螺紋錨桿支護(hù)，錨桿直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，錨桿間排距為1 000 mm，錨桿間距為1 000 mm；巷道兩幫采用玻璃錨桿支護(hù)，錨桿直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，錨桿間排距為1 000 mm，錨桿間距為1 200 mm。除此之外，根據(jù)31303工作面巷道頂板的類型對(duì)ANSYS模型中的密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力以及內(nèi)摩擦角等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本節(jié)將對(duì)31303工作面Ⅱ類、Ⅲ類圍巖不同預(yù)應(yīng)力下的支護(hù)效應(yīng)進(jìn)行模擬分析。

2.1 Ⅱ類圍巖在不同預(yù)應(yīng)力下的支護(hù)效應(yīng)對(duì)比

以Ⅱ類圍巖為例，對(duì)其在不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)下巷道的支護(hù)效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，鑒于偏于有限，本節(jié)只列出Y方向的有效應(yīng)力云圖，仿真結(jié)果如下頁圖1所示。分析圖1數(shù)值模擬結(jié)果，得出如下結(jié)論：

當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力為0 MPa時(shí)，巷道頂板所承受的Y方向的有效應(yīng)力呈現(xiàn)的紅色范圍最大，即有效應(yīng)力值最大；當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力為0.02 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)巷道頂板Y方向有效應(yīng)力值的紅色區(qū)域有所減少；并在當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力為0.05 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)巷道頂板Y方向有效預(yù)應(yīng)力紅色區(qū)域變?yōu)辄S色，即說明有效應(yīng)力值較0.02 MPa時(shí)得到明顯降低。隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值繼續(xù)增大至0.1 MPa，Y方向有效應(yīng)力值變?yōu)闇\黃色區(qū)域，即說明有效應(yīng)力值較0.05 MPa時(shí)得到明顯降低。隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值增大至0.15 MPa時(shí)，Y方向的有效應(yīng)力值較0.1 MPa變化不大。

圖1 Ⅱ類圍巖不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效應(yīng)對(duì)比

總的來說，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加Ⅱ類圍巖的支護(hù)效果逐步變好，而且當(dāng)預(yù)應(yīng)力從0.1 MPa增大至0.15 MPa時(shí)巷道的支護(hù)作用變化不大。因此，對(duì)于Ⅱ類圍巖對(duì)應(yīng)的最佳錨桿預(yù)應(yīng)力值為0.05～0.1 MPa。

2.2 Ⅲ類圍巖在不同預(yù)應(yīng)力下的支護(hù)效應(yīng)對(duì)比

以Ⅲ類圍巖為例，對(duì)其在不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)下巷道的支護(hù)效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，鑒于偏于有限，本節(jié)只列出Y方向的有效應(yīng)力云圖，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 Ⅲ類圍巖不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效應(yīng)對(duì)比

如圖2所示，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加，巷道頂板所承受Y方向有效應(yīng)力值依次減少。其中，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力為0 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的紅色區(qū)域最大，而當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力增大至0.02 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的紅色區(qū)域有略微的減少，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力增大至0.05 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的紅色區(qū)域面積得到大幅度減少，并在錨桿預(yù)應(yīng)力為0.1 MPa時(shí)應(yīng)力范圍呈現(xiàn)為淺黃色；并且當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力增大至0.15 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)頂板的受力情況還在改善。

綜上所述，對(duì)于Ⅲ類圍巖隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大其對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力不斷減小，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力為0.15 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果已經(jīng)可滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。因此，綜合考慮巷道的支護(hù)成本和施工難度，針對(duì)Ⅲ類圍巖將其最佳錨桿預(yù)應(yīng)力確定為0.1～0.15 MPa。

同樣，采取同樣思路對(duì)Ⅰ類圍巖、Ⅳ類圍巖的最佳錨桿預(yù)應(yīng)力區(qū)間進(jìn)行確定，并得出：Ⅰ類圍巖對(duì)應(yīng)的最佳應(yīng)力區(qū)間為0.05～0.1 MPa；Ⅳ類圍巖對(duì)應(yīng)的最佳應(yīng)力區(qū)間為0.1～0.15 MPa。

3 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果驗(yàn)證

在對(duì)不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效應(yīng)對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論計(jì)算針對(duì)不同類型圍巖所采取的具體支護(hù)參數(shù)如下：

Ⅰ類圍巖：錨桿直徑為16 mm，錨桿長(zhǎng)度為1 800 mm，每排錨桿數(shù)量為4根，錨桿間排距為1 000 mm，錨桿間距為1 000 mm；Ⅱ類圍巖：錨桿直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm，每排錨桿數(shù)量為2根，錨桿間排距為1 000 mm，錨桿間距為1 000 mm；Ⅲ類圍巖：錨桿直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm，每排錨桿數(shù)量為2根，錨桿間排距為900 mm，錨桿間距為900 mm；Ⅳ類圍巖：錨桿直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm，每排錨桿數(shù)量為3根，錨桿間排距為800 mm，錨桿間距為1 000 mm。

在上述支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)第2節(jié)數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)錨桿的預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行設(shè)置。Ⅰ類圍巖錨桿的預(yù)應(yīng)力為0.05 MPa，Ⅱ類圍巖錨桿的預(yù)應(yīng)力為0.05 MPa，Ⅲ類圍巖錨桿的預(yù)應(yīng)力為0.1 MPa，Ⅳ類圍巖錨桿的預(yù)應(yīng)力為0.1 MPa。

經(jīng)實(shí)踐表明，在上述預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的作用下31303工作面巷道圍巖得到有效控制。

4 結(jié)論

1）Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類圍巖分別對(duì)應(yīng)的最佳錨 桿 預(yù) 應(yīng) 力 區(qū) 間 為0.05～0.1 MPa、0.05～0.1 MPa、0.1～0.15 MPa、0.1～0.15 MPa；

2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)定不同類圍巖錨桿預(yù)應(yīng)力，經(jīng)實(shí)踐表明可有效對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制。