胡瀚超
(大同市青磁窯煤礦,山西 大同 037000)
錨桿支護(hù)是目前井下礦用一種比較安全的支護(hù)形式,其是以錨桿為主體的支護(hù)結(jié)構(gòu),有錨桿、錨噴網(wǎng)及錨噴等支護(hù)形式。錨桿支護(hù)形式是利用在煤層中成孔后,將錨桿埋入并灌注水泥砂漿或水泥,同時借助于煤巖層與錨固體間作用產(chǎn)生的摩擦力、拉桿強度等共同作用于支護(hù)機(jī)構(gòu)上的外部載荷[1]。在井下煤礦中,錨桿支護(hù)能夠顯著增強巷道周邊圍巖,具有支護(hù)成本低、勞動強度低、成巷速度快及改善井下環(huán)境及作業(yè)條件,因此,錨桿支護(hù)已經(jīng)成為礦井巷道常用的支護(hù)形式[2]。
錨桿對礦井煤巖的加固作用主要表現(xiàn)在:一是依據(jù)錨桿的抗拉作用,當(dāng)錨桿穿過破碎的煤層進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的巖層后,對不穩(wěn)定煤層發(fā)揮著懸吊作用;二是將煤巖與錨桿聯(lián)接為一體,不僅使煤巖的抗變形能力提升,且使煤巖的整體性也加強;三是在錨桿的作用下會產(chǎn)生三向應(yīng)力,使邊界煤層的力學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變,使煤層的承載能力增強;四是錨桿的抗剪作用會對離層煤層產(chǎn)生阻礙作用,使煤層間的摩擦力增大,可避免煤層出現(xiàn)相對滑動現(xiàn)象,進(jìn)而在各煤層中形成組合梁作用形式[3]。
因此,錨桿支護(hù)作為一種主動支護(hù)形式,其支護(hù)效果的有效性,不僅可以明顯加固巷道周邊圍巖,且大幅提升圍巖的穩(wěn)定性[4]。本文主要對比分析有無錨桿不同支護(hù)作用時,圍巖和錨桿的位移變化情況,進(jìn)而確定合理有效的錨桿支護(hù)方案,保證礦井圍巖的穩(wěn)定性,降低煤礦事故發(fā)生率。
為了便于分析在井下巷道掘進(jìn)及回采工作面動壓作用下,有無錨桿支護(hù)作用時,圍巖和錨桿的位移變化情況,主要對比研究以下三種方案:
方案一:無錨桿支護(hù)作用。建立圖1 所示的模型,在模型的前側(cè)自由面,沿X 軸正方向,從中心點設(shè)置位移監(jiān)測點,間距是20 mm。同時,在相同水平面,沿Y 軸正方向,也設(shè)置位移監(jiān)測點,間距40 mm,對模型上表面施加邊界應(yīng)力并計算。
圖1 三種方案下,監(jiān)測點的設(shè)置示意圖
方案二:有錨桿支護(hù)作用。在模型的前側(cè)自由面,沿Y 軸正方向,從中心點處進(jìn)行端部錨桿支護(hù)。錨桿支護(hù)設(shè)置參數(shù)是:長度400 mm、直徑20 mm、在錨桿自由端設(shè)置預(yù)應(yīng)力大小60 kN,并設(shè)置與方案(1)同樣的模型監(jiān)測點,同樣,對模型上表面施加邊界應(yīng)力并計算。
方案三:有錨桿支護(hù)作用。錨桿支護(hù)作用時,固定錨桿的錨固端頭和模型邊界,當(dāng)圍巖出現(xiàn)變形時,錨桿整體不能同步產(chǎn)生位移。另外,監(jiān)測點的設(shè)置同于方案(1),而錨桿設(shè)置的監(jiān)測點和計算過程同于方案(2)。
通過監(jiān)測三種錨桿支護(hù)方案,沿X 軸正方向圍巖自由面中心點的水平位移變化情況,得到第179 頁圖2 所示的曲線。從圖2 中可看出,對于方案一,當(dāng)無錨桿支護(hù)作用時,圍巖表面與中心點任意不同位置處的位移量接近;對于方案二和方案三,隨著錨桿中心距監(jiān)測點距離的增加,圍巖表面位移量逐漸減小,對于方案三,由于將錨桿的錨固段固定于圍巖上,不會影響圍巖的表面變形,使得圍巖表面和內(nèi)部的位移量存在較大的差值,且方案三中各監(jiān)測點的位移量均比方案二小。因此,對比可得出,方案三中錨桿的錨固段與圍巖固定時,錨桿對圍巖的變形效果控制最佳。
圖2 對比三種方案,圍巖自由面水平方向的位移變化曲線
通過監(jiān)測三種錨桿支護(hù)方案,沿Y 軸正方向圍巖內(nèi)部的位移變化情況,得到圖3 所示的變化曲線,從圖3 中可以看出,對于方案一,當(dāng)無錨桿支護(hù)作用時,隨監(jiān)測點距表面距離的增大,圍巖內(nèi)部位移量逐步減??;對于方案二,在預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作用下,圍巖內(nèi)部各監(jiān)測點的位移量與方案一的變化趨勢基本相近,當(dāng)距圍巖表面0 mm~40 mm 區(qū)間時,位移量相比于方案一,明顯減??;當(dāng)距圍巖表面320 mm~380 mm 區(qū)間內(nèi),位移量又明顯大于方案一,因此,可得出,在圍巖內(nèi)部距表面40 mm 區(qū)間內(nèi),錨桿具有很好的支護(hù)效果,但是在320 mm~380 mm 區(qū)間內(nèi),由于圍巖表面變形使圍巖與錨桿錨固劑出現(xiàn)剪應(yīng)力,從而造成此區(qū)間內(nèi)的位移量增大;對于方案三,由于將錨桿的錨固段固定于圍巖上,使其位移發(fā)生變化無法同步,并在托板支護(hù)的影響下,圍巖內(nèi)部距表面80 mm 區(qū)間內(nèi),位移量增大顯著,當(dāng)大于此區(qū)間時,位移量又明顯減小。因此,可得出,在圍巖內(nèi)部距表面80 mm 區(qū)間內(nèi),托盤對錨固圍巖內(nèi)部具有有效的支護(hù)作用,且根據(jù)托盤下部巖體表面的位移量可得出,受圍巖變形作用,錨桿桿體形成的拉伸量大約是3.5 mm。
圖3 對比三種方案,圍巖內(nèi)部沿錨桿軸向的位移變化曲線
通過深入分析方案二和方案三不同錨桿支護(hù)作用下,錨桿拉伸變形的情況,得到圖4 所示的變化曲線,從圖4-1 中可看出,錨桿自由端到錨固段的拉伸變形量是逐步增大;圖4-2 中,錨桿自由端到錨固端的拉伸變形量是逐步減小。
圖4 對比方案二和方案三,錨桿的拉伸變形量變化曲線
為提升錨桿支護(hù)的效果,進(jìn)而提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。本文主要對比分析有無錨桿不同支護(hù)作用時,圍巖和錨桿的位移變化情況,結(jié)論是:
1)當(dāng)將錨桿的錨固段固定于圍巖上時,圍巖內(nèi)部距表面80 mm 區(qū)間內(nèi),位移量逐漸增大,且位移量顯著小于無錨桿支護(hù)圍巖,并在40 mm~80 mm 區(qū)間內(nèi)的位移量達(dá)到最大值,此時,錨桿對圍巖具有很好的支護(hù)效果;當(dāng)大于此區(qū)間時,位移量又逐漸小,且當(dāng)錨桿出現(xiàn)位移時,圍巖與錨固劑產(chǎn)生的剪應(yīng)力使圍巖的位移量比無錨桿支護(hù)時明顯增大。
2)當(dāng)將錨桿的錨固段固定于圍巖上時,錨桿自由端到錨固端的拉伸變形量逐漸減小;而不固定時,錨桿自由端到錨固端的拉伸變形量是逐漸增大。