煤礦巷道圍巖應(yīng)力場分析及變形控制技術(shù)研究

侯晉剛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)掌石溝煤礦， 山西 高平 048400）

引言

對煤層開采而言，巷道支護(hù)是其最主要的技術(shù)，其用途可以把圍巖變形減小?，F(xiàn)在，由于礦井結(jié)構(gòu)不同，所以使用的錨桿支護(hù)方式也不同，錨桿支護(hù)方式的取得與相應(yīng)的應(yīng)用性是以經(jīng)驗(yàn)計(jì)算與圍巖分類為基礎(chǔ)、以理論計(jì)算措施為基礎(chǔ)、基于實(shí)施場地所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。在本文中，經(jīng)過選取數(shù)值模擬軟件來研究在支護(hù)參數(shù)不同時(shí)巷道圍巖的應(yīng)力場分布，并提出巷道支護(hù)的計(jì)劃，給礦井生產(chǎn)安全性提供了根據(jù)。

1 分析數(shù)值模擬

數(shù)值模擬軟件能夠完支護(hù)參數(shù)不同時(shí)應(yīng)力場的計(jì)算與分布，分析在錨桿錨固方式不同時(shí)圍巖的應(yīng)力場，圖1 就是其分布圖。

圖1 不同錨桿錨固應(yīng)力場分布云圖

不同錨桿錨固應(yīng)力場分布云圖如圖1 所示，在圖1 中能夠發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力分布云圖由于不同的支護(hù)方法而明顯不同。當(dāng)支護(hù)選取端部錨固時(shí)，錨桿有非常廣的作用，可是應(yīng)力在其自由段的中心處比較小；在選取加長錨固的時(shí)候，就應(yīng)力的作用而言，端部錨固的范圍大于現(xiàn)在錨桿的范圍，可是后者的應(yīng)力區(qū)域比前者的厚度增厚；在選取全長錨桿進(jìn)行支護(hù)時(shí)，由于錨桿的作用區(qū)域不大，所以導(dǎo)致減小了應(yīng)力區(qū)域的厚度。經(jīng)過比較能夠得知，端部錨固方法比加長錨固與全長錨固的錨固成效要好。在固化樹脂錨固劑之后，預(yù)應(yīng)力恰當(dāng)?shù)纳仙湍茱@著改進(jìn)除端部錨固之外的兩種錨固方式錨桿進(jìn)行支護(hù)的成效。經(jīng)過選取此結(jié)構(gòu)，能夠把錨桿的長度適當(dāng)?shù)臏p少。

模擬錨桿錨固不同時(shí)的應(yīng)力場分布云圖，圖2就是所取的結(jié)果。

如圖2 所示，由于頂板上的角錨桿的不同，所以其角度也會不同，會有非常顯著的應(yīng)力場分布差異，可是還有相同的地方。在中部錨桿和角錨桿產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)域有重復(fù)區(qū)域發(fā)生時(shí)，在頂板的位置所形成的應(yīng)力范圍比較廣、比較厚，錨固區(qū)中本范圍所占面積的比例非常大，在這時(shí)，對錨桿進(jìn)行支護(hù)的成效最佳。在錨桿角度是下降走向時(shí)，中部錨桿與角錨桿所產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)有非常明顯的重疊。在圖2-3 中能夠發(fā)現(xiàn)，角錨桿的角度與壓應(yīng)力的重疊范圍呈反比，所以能夠發(fā)現(xiàn)，在用錨桿支護(hù)巷道時(shí)，圖2-1 中的這樣分布是最佳的，即為垂直分步，按照實(shí)際情況，保證角度小于15°。毛筍支護(hù)下應(yīng)力場分布云圖相似于錨桿支護(hù)下應(yīng)力場分布云圖，所以錨索參數(shù)的確定可以選取相同的方式。通常來說，由于要把支護(hù)成效考慮進(jìn)去，要對以下參數(shù)進(jìn)行全面考慮，如錨索的預(yù)應(yīng)力、長度、強(qiáng)度及直徑，圍巖變形的控制能夠通過高預(yù)應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)，所以支護(hù)的成效最好。

圖2 不同錨桿錨固應(yīng)力場分布圖

2 研究與設(shè)計(jì)支護(hù)

1）一次支護(hù)的原則。由于要預(yù)防重復(fù)支護(hù)所導(dǎo)致的巖體有裂隙，所以要最大程度的對一次支護(hù)進(jìn)行保護(hù)，為了使圍巖變形在一次支護(hù)之后得到控制提供保障。并且一次支護(hù)的原則的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)對圍巖變形進(jìn)行控制的目標(biāo)、為硐室與巷道的穩(wěn)定提供保證，維修費(fèi)用降低、使生產(chǎn)的安全性得到保證。

2）分散預(yù)應(yīng)力與高預(yù)應(yīng)力的原則。充足的預(yù)應(yīng)力可以由錨桿支護(hù)所實(shí)現(xiàn)，唯有在預(yù)應(yīng)力到達(dá)規(guī)定值時(shí)，支護(hù)方能從被動變?yōu)橹鲃樱藭r(shí)的支護(hù)成效最好，分散預(yù)應(yīng)力與高預(yù)應(yīng)力的原則要使錨桿的預(yù)應(yīng)力得到保障，還要對其預(yù)應(yīng)力進(jìn)行提高，如使用鋼帶、托板等構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)，把支護(hù)的區(qū)域擴(kuò)大，使整個(gè)支護(hù)的穩(wěn)定性得到提高。

3）“三高一低”的原則?！叭咭坏汀钡脑瓌t即為確保支護(hù)具有的較高的可靠性、剛度、強(qiáng)度，并把支護(hù)的密度減小。不但要把支護(hù)密度減小而且還要確保其強(qiáng)度，使其經(jīng)濟(jì)效益提高。

4）支護(hù)的剛度和臨界支護(hù)強(qiáng)度的原則。其原則就是對兩者的剛度值而言，確保支護(hù)強(qiáng)度的就要比臨界支護(hù)強(qiáng)度要大，方能使長時(shí)間支護(hù)的穩(wěn)定性得到保障，可以對預(yù)防破壞圍巖變形進(jìn)行控制。

5）相互匹配的原則。在對錨桿錨索進(jìn)行支護(hù)時(shí)，要保證所有的部位零件是彼此互相匹配的，其匹配可以體現(xiàn)在空間和時(shí)間上，能夠把所有零件所對應(yīng)的功能給發(fā)揮出來，使支護(hù)成效最佳得以實(shí)現(xiàn)。

6）可操作性的原則。巷道的參數(shù)與錨桿錨索的具體尺寸是相互適合的，使井下能夠?qū)崿F(xiàn)其操作得到保障，支護(hù)效率的提高能夠通過本原則來實(shí)現(xiàn)。

在頂板中，穩(wěn)定頂板中就有石灰?guī)r頂板，而且其厚度是2.7 m，從原則上來說可以不支護(hù)，因?yàn)樵诿簩拥捻敯鍍?nèi)，把厚度為2 m 的一層泥巖夾雜在上層與下層石灰?guī)r中，巖性有比較大的差異，無法協(xié)調(diào)變形時(shí)，極易有離層發(fā)生在頂版巖中，會有冒頂出現(xiàn)，所以，以之前的支護(hù)為基礎(chǔ)，選取錨索來把支護(hù)增強(qiáng)。以下就是錨索間的排距的詳細(xì)參數(shù)：由于要考慮頂板巖石具有不同的性質(zhì)和錨固段的尺寸等，所以選用的錨索的直徑與長度分別為15.2 mm、7 200 mm，其鉆孔的直徑是28 m，選取的布置方法是“三三”，錨索和錨索之間的排距是800 mm×4 000 mm，能夠保證錨桿所具有的錨固力在200 kN 以上，預(yù)緊力在120 kN 以上，在錨固錨桿時(shí)，要把3 個(gè)錨固劑作用在1 根錨桿上。

以下就是確定的煤柱幫錨桿支護(hù)的有關(guān)參數(shù):由于要把支護(hù)的強(qiáng)度考慮進(jìn)去，所以，支護(hù)所用的左旋螺紋鋼錨桿的D18 mm，長為2 000 mm，強(qiáng)度在335 MPa 以上。錨桿之間的排距是800 mm×800 mm，并把每3 根錨桿設(shè)置在每1 排，3 根錨桿中的任意1 根都與相同數(shù)量的樹脂錨固劑相互配合著應(yīng)用，由于要使其支護(hù)強(qiáng)度得到保障，所以，其預(yù)緊力要在150 N·m 以上，錨固力在80 kN 以上，托板配合錨桿來應(yīng)用，其高度要在36 mm 以上。網(wǎng)片在進(jìn)行支護(hù)時(shí)會使用的到，以下就是其規(guī)格：網(wǎng)片的網(wǎng)孔是菱形的，其網(wǎng)孔的規(guī)格是50 mm×50 mm，網(wǎng)片的整體長度與寬度分別是2 700 mm、1 000 mm，在安裝網(wǎng)片時(shí)，要把其安裝在緊挨著煤壁，確保搭接的長度在200 mm 以上，并且可以使用鐵絲來穩(wěn)固網(wǎng)片，鐵絲的長度是200 mm。在支護(hù)時(shí)，還會有鋼筋梯子梁被使用，以下就是鋼筋梯子梁的具體規(guī)格：其直徑、寬、長分別為14 mm、80 mm、2.4 m，并經(jīng)過對圓鋼進(jìn)行加工而形成的鋼筋梯子梁。

M20 型號螺母和錨桿是匹配的，規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm，鋼號是Q235 的托盤和M20型號螺是相匹配，并且要保證其高度在36 mm 以上。圖3 即為頂板支護(hù)示意圖。

圖3 巷道頂板支護(hù)示意（未標(biāo)單位：mm）

3 結(jié)語

1）錨桿不同錨固方式下的應(yīng)力場分布圖是通過數(shù)值模擬軟件獲得的，得知，由于錨固方式不同，所以分布的圍巖應(yīng)力場的也不一樣，錨固方式的選擇要按照自身實(shí)際情況來決定。

2）經(jīng)過數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用，來分析頂板角度不同時(shí)的應(yīng)力場，并和實(shí)際施工相結(jié)合，從而提出頂板角在15°以下最好。

3）經(jīng)過對質(zhì)地狀況與數(shù)值模擬的最終結(jié)果進(jìn)行全面分析，能夠明確加強(qiáng)支護(hù)的計(jì)劃，為回采工作的成功實(shí)施提供保障。