厚煤層拱梁耦合支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的研究

田志偉

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030000）

引言

隨著開采年限的不斷增加，越來越多的易開采煤層被開采，且開采的重點(diǎn)逐步向著賦存條件較為復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移。在對(duì)厚煤層開采的過程中，巷道圍巖受到采動(dòng)影響發(fā)生較大程度變形，嚴(yán)重威脅著礦山的正常生產(chǎn)[1-2]，為了解決厚煤層開采巷道圍巖變形大的問題，眾多學(xué)者對(duì)厚煤層巷道變形進(jìn)行過一定的研究。徐祝賀等[3]對(duì)特厚煤層采動(dòng)影響下巷道圍巖變形進(jìn)行了研究，利用數(shù)值模擬對(duì)不同支護(hù)下的圍巖應(yīng)力位移場進(jìn)行對(duì)比。發(fā)現(xiàn)采用加長錨桿與桁架錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)可以有效控制圍巖變形，為相似地質(zhì)巷道圍巖的控制提供了借鑒。魏恒征[4]針對(duì)肖家洼煤礦巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈的現(xiàn)象，利用FLAC-3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)5 種不同區(qū)段煤柱寬度下圍巖應(yīng)力位移場進(jìn)行研究，給出合理煤柱寬度為30 m，并通過現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)底鼓量最大值為165 mm，而頂板下沉量最大值為55 mm，巷道兩幫的移近量最大為110 mm，較好地控制了巷道圍巖的變形。本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)厚煤層巷道變形進(jìn)行研究，給出巷道變形及應(yīng)力分布規(guī)律，為厚煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 錨桿錨索間排距對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

特厚煤層由于煤層內(nèi)部夾層較多，且裂隙節(jié)理發(fā)育較好，使得煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，據(jù)研究，特厚煤層在掘進(jìn)過程中巷道圍巖變形呈現(xiàn)出頂板底板移近量小于巷道兩幫移近量，當(dāng)工作面進(jìn)行推進(jìn)時(shí)，巷道的變形量明顯大于掘進(jìn)階段變形量。特厚煤層巷道的變形受到采動(dòng)影響較大，距離工作面越遠(yuǎn)，擾動(dòng)的影響越小。

為了分析錨桿錨索布置參數(shù)對(duì)圍巖變形的影響，對(duì)不考慮原巖應(yīng)力下錨桿錨索的間排距、錨桿錨索長度對(duì)厚煤層圍巖的變形進(jìn)行對(duì)比分析，分析單一因素下圍巖的變形規(guī)律。

1.1 錨桿間排距

對(duì)不同錨桿間排距下的支護(hù)效果進(jìn)行分析，錨桿間距為1 200 mm、1 000 mm、800 mm、700 mm 和600 mm，對(duì)應(yīng)錨桿數(shù)分別為5、6、7、8、9 根，圍巖的應(yīng)力分布及組合梁參數(shù)如圖1 所示。

圖1 圍巖的應(yīng)力（kPa）分布及組合梁參數(shù)變化圖

根據(jù)圖1 可以看出，隨著支護(hù)錨桿間距的減?。ㄥ^桿數(shù)量增多），巷道頂板位置形成的組合梁寬度及厚度均呈現(xiàn)增大的趨勢。從梁體厚度隨間距變化曲線可以看出，隨著錨桿間排距的減小，組合梁的厚度逐步增大，當(dāng)錨桿數(shù)為5 根和6 根時(shí)，組合梁的厚度幾乎相同，錨桿從6 根增加至9 根組合梁厚度從1.96 m 增大至2.18 m。隨著錨桿根數(shù)增大，組合梁的寬度逐步增大，但當(dāng)錨桿根數(shù)為7 根增大至9 根的過程中組合梁的梁寬變化幅度較小，所以可知隨著錨桿密度的增大，圍巖的應(yīng)力環(huán)境得到有效的控制，巷道的淺部巖層的松動(dòng)圈穩(wěn)定性加強(qiáng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益的問題當(dāng)錨桿數(shù)大于7 根時(shí)，圍巖穩(wěn)定性提升幅度較小，所以合理的錨桿數(shù)為7 根，即間距為800 mm。同時(shí)根據(jù)對(duì)不同錨桿排距下組合梁的寬度及厚度等進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨桿排距為800 mm 時(shí)組合梁的范圍及其支撐能力均有了大幅度的提升，所以錨桿的間排距設(shè)置為800 mm×800 mm 較為合理。

1.2 錨索間排距

對(duì)不同錨索間距排距下的組合梁體積及最大壓應(yīng)力變化進(jìn)行分析，組合梁體積及最大壓應(yīng)力變化曲線如圖2 所示。

圖2 組合梁參數(shù)隨錨索間排距變化曲線

從圖2 可以看出，隨著錨索的間距不斷增大，組合梁的體積也在不斷增加，當(dāng)錨索的數(shù)量為3 根時(shí)，此時(shí)的組合梁體積為18.4 m3，隨著錨索數(shù)量增大至4 根和5 根時(shí)組合梁的體積雖然略有增加，但整體增加幅度較小。同時(shí)觀察最大壓應(yīng)力隨錨索間距的變化曲線可以看出，隨著錨索根數(shù)的增大，最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后平穩(wěn)再增大的趨勢。當(dāng)錨索根數(shù)為3 根時(shí)，最大壓應(yīng)力值為0.36 MPa，當(dāng)錨索根數(shù)為5 根時(shí)最大壓應(yīng)力值為0.489 MPa。考慮到合理的經(jīng)濟(jì)效益后選擇錨索根數(shù)為3 根即錨索的間距為2 000 mm。觀察組合梁參數(shù)隨錨索排距的變化曲線可以看出，隨著錨索排距的增大，組合梁的體積及組合梁受到的最大壓應(yīng)力均呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)錨索的排距為1.6 m 時(shí)，此時(shí)的組合梁體積為65.6 m3，此時(shí)的拱中心受到的平均壓應(yīng)力為0.101 MPa。可以看出排距過大時(shí)，壓應(yīng)力承載區(qū)不能有效地疊加，支護(hù)作用不能得到有效的發(fā)揮，當(dāng)錨索的排距為1.6 m時(shí)，此時(shí)的壓應(yīng)力承載區(qū)疊加，承載性能提升，承載拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增加。

2 錨桿錨索長度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響分析

對(duì)不同錨桿及錨索長度下巷道圍巖的應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬，給出不同錨桿錨索長度下組合梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化特征如圖3 所示。

圖3 組合梁參數(shù)隨錨桿錨索長度變化曲線

根據(jù)圖3 可以看出隨著錨桿長度的增加，組合梁的梁體積呈現(xiàn)線性增大的趨勢，當(dāng)錨桿的長度為1.8 m 時(shí)，此時(shí)的組合梁體積為11.7 m3，當(dāng)錨桿長度增大至2.8 m 時(shí)，組合梁的體積為17.4 m3。而組合梁中心壓應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢，在錨桿長度為2.4 m 時(shí)壓應(yīng)力值區(qū)域穩(wěn)定，此時(shí)既能發(fā)揮錨桿的主動(dòng)支護(hù)效果也能保證組合梁的承載穩(wěn)定性，繼續(xù)增大錨桿長度雖然會(huì)增大組合梁的體積但錨桿受到剪切應(yīng)力極易發(fā)生破壞，所以合理錨桿長度為2.4 m。觀察組合梁參數(shù)隨錨索長度變化曲線可以看出，隨著錨索長度的增大組合梁體積呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，當(dāng)錨索的長度為6 m 時(shí)，此時(shí)的組合梁體積為39.2 m3，當(dāng)錨桿長度增大至12 m 時(shí)，組合梁的體積為78.2 m3。同時(shí)隨著錨索長度的增大，組合梁中心壓應(yīng)力呈現(xiàn)先快速降低后逐步平穩(wěn)的趨勢，這是由于選用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，錨索對(duì)淺部組合梁的承載性能會(huì)有一定的提升，但對(duì)組合梁壓應(yīng)力范圍的提升較小，且隨著錨索長度的增加，不僅不利于承載拱的支撐，還會(huì)降低承載力，所以錨索的長度不應(yīng)當(dāng)過長，所以合理的錨索長度為8 m。

因此優(yōu)化支護(hù)方案為：運(yùn)輸巷斷面尺寸分別為寬5 m、高4 m，巷道采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)。頂錨桿為Φ20 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿的間排距800 mm×800 mm，一排布置7 根錨桿。錨索選用Φ17.8 mm×8 000 mm 高強(qiáng)度鳥籠錨索，一排布置3根錨索，間排距為2 000 mm×1 600 mm。幫錨桿選用Φ18 mm×2 400 mm 的蛇形扭矩應(yīng)力錨桿，錨桿的間排距800 mm×800 mm，一排布置9 根錨桿。

3 結(jié)論

1）通過對(duì)不同錨桿間排距下圍巖的應(yīng)力進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，錨桿間距的減小可有效提升組合梁的承載能力，同時(shí)排距的減小同樣可以提升承載能力，但會(huì)引起應(yīng)力集中。

2）通過對(duì)不同錨索間排距下圍巖的應(yīng)力進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，隨著錨索間距及排距的減小，錨索的有效承壓應(yīng)力區(qū)發(fā)生疊加，有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍增大，承載性能增加。

3）通過對(duì)不同錨索錨桿長度下組合梁特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著錨桿長度的增大，組合梁體積增大，承載性能增加，當(dāng)長度大于2.4 m 時(shí)，壓應(yīng)力減小。同時(shí)錨索長度增大會(huì)導(dǎo)致支護(hù)效果降低，導(dǎo)致錨索破壞。