新景公司瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷錨桿托盤參數(shù)優(yōu)化

荊二強(qiáng)

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

在當(dāng)前巷道圍巖支護(hù)實(shí)踐中，噴網(wǎng)支護(hù)因工程量小、過(guò)程簡(jiǎn)便且勞動(dòng)強(qiáng)度低，而在一些煤礦中普遍采用[1-2]。但是這種噴網(wǎng)支護(hù)方式片面強(qiáng)調(diào)支護(hù)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，存在較大的施工盲目性和工序紊亂性[3]，支護(hù)效果不理想。結(jié)合新景公司對(duì)瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷圍巖變形實(shí)測(cè)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)引發(fā)巷道圍巖變形破壞的主要原因在于支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖力學(xué)特性缺乏耦合性[4]，且巷道變形破壞必將率先從某一關(guān)鍵部位開始，延伸后使整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)。實(shí)踐證明，錨桿支護(hù)形式能有效控制巷道圍巖和支護(hù)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在其支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上能保證支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖力學(xué)特性的耦合[5-6]，增強(qiáng)支護(hù)效果。

1 瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷概況

新景公司+525水平與佛洼上組煤瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷開口位置在保安8#煤采區(qū)軌道大巷以西，開口設(shè)計(jì)標(biāo)高+520.91 m（底板），向正南方向開挖掘進(jìn)。瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷下覆8#煤層，目前只有開采計(jì)劃但并未實(shí)施開采。根據(jù)進(jìn)風(fēng)立井實(shí)測(cè)剖面圖，瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷開口位置巖性主要為砂巖，硬度系數(shù)4～5，巖石穩(wěn)定，所在采區(qū)內(nèi)賦存煤層平均傾角4°～5°，為一單斜構(gòu)造，整體上呈西高東低走向。

結(jié)合鄰近工作面頂板礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)以及采區(qū)內(nèi)其余巖巷頂板支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，充分考慮本工作面生產(chǎn)、運(yùn)料及通風(fēng)等要求，瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷設(shè)計(jì)為圓形斷面，采用錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)、噴砼等形式的聯(lián)合支護(hù)。瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷斷面特征如表1所示。

根據(jù)三維地震圖，從該瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷開口位置往南預(yù)計(jì)施工至1.24 km處將揭露斷層，斷層斷距0～9 m，∠68°。掘進(jìn)過(guò)程中必須加強(qiáng)工作面涌水及瓦斯情況等觀察，一旦出現(xiàn)大量涌水或瓦斯涌出量較大時(shí)必須立即組織人員撤離，并匯報(bào)工地調(diào)度室和新景礦總調(diào)度室，采取安全技術(shù)措施，待消除隱患確認(rèn)正常后方可掘進(jìn)。

2 錨桿參數(shù)選用及校核

2.1 錨桿參數(shù)選用

考慮到該礦瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷支護(hù)所需錨桿及配套托盤較多，且材料選擇及參數(shù)確定對(duì)支護(hù)效果和生產(chǎn)成本影響較大，為此，必須在符合支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減少錨桿使用量，并優(yōu)化錨桿直徑、間距、長(zhǎng)度及配套托盤厚度等參數(shù)設(shè)計(jì)。

（1）錨桿參數(shù)

一般情況下錨桿直徑越大，能承受較大的拉應(yīng)力。該礦瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷主要采用500#-φ20 mm×2 000 mm規(guī)格的左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，結(jié)合支護(hù)強(qiáng)度方面的要求，左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿表面凹凸紋理無(wú)需處理，以便保證錨桿和錨固劑之間能有效粘結(jié)。從支護(hù)效果和成本兩個(gè)方面考慮，在其他條件不變的情況下，錨桿支護(hù)強(qiáng)度和桿體直徑成正比，也即錨桿直徑越大，設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度越高，對(duì)巷道圍巖支護(hù)效果越好。從市場(chǎng)材料采購(gòu)行情來(lái)看，錨桿直徑對(duì)錨桿材料成本影響不大。綜合以上分析，該巷道圍巖支護(hù)錨桿采用密度7.8 t/m3、彈性模量241 GPa、屈服力115 kN、破斷力均值170 kN、延伸率21.3%的φ20 mm規(guī)格的20MnSi螺紋鋼錨桿，并嚴(yán)格按照800 mm間距和900 mm排距設(shè)置。為與錨桿直徑相匹配，錨孔直徑應(yīng)按照29 mm設(shè)置。

錨桿托盤采用150 mm×150 mm×10 mm的高強(qiáng)度可調(diào)心拱形錨桿托板，并采用高強(qiáng)度心球型墊片及1010尼龍墊片與之配套。

（2）錨索參數(shù)

錨索規(guī)格為φ21.8 mm×6 200 mm，間排距1 000 mm×900 mm，每排3根布置在兩排錨桿之間。錨索托盤采用設(shè)計(jì)尺寸300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)度可調(diào)心拱形錨索托板，附加高強(qiáng)調(diào)心球型墊片與之配套。

（3）其余支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

金屬網(wǎng)由圓鋼材料加工制成，設(shè)計(jì)網(wǎng)幅φ6 mm×1 100 mm×2 000 mm，網(wǎng)孔尺寸100 mm×100 mm。為便于拼接，金屬網(wǎng)采用帶勾形式，并使勾頭朝下后通過(guò)大錘砸平勾頭。網(wǎng)片兩側(cè)通過(guò)壓茬搭接，搭接寬度應(yīng)至少為100 mm，同時(shí)還應(yīng)通過(guò)14#鐵絲按100 mm/道的間距綁扎。巷道錨噴混凝土使用P.O42.5水泥；混凝土設(shè)計(jì)配合比為水泥：黃沙：石屑=1:1.98:1.98（kg），水灰比0.45；黃砂為石屑粒徑3～5 mm的中粒砂，速凝劑摻量為3～4 kg/100 kg水泥；混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，噴涂厚度100 mm。1個(gè)錨桿眼使用1卷MSCK-28/800型錨固劑和1卷MSS-23/1200型雙速錨固劑，并按照1:3的比例確定快、中速藥卷比。

2.2 支護(hù)參數(shù)校核

（1）錨桿、錨索長(zhǎng)度校核

錨索、頂錨桿對(duì)圍巖的加固作用主要通過(guò)懸吊作用并結(jié)合幫錨桿發(fā)揮，以達(dá)到良好的支護(hù)效果，為此錨桿（索）長(zhǎng)度應(yīng)滿足以下條件[3]：

式中：L為錨桿（索）總長(zhǎng)度（m）；L1為錨桿（索）外露長(zhǎng)度，錨桿和錨索分別取0.13 m和0.29 m；L2為錨桿（索）有效支護(hù)長(zhǎng)度，m；頂錨桿（索）有效支護(hù)長(zhǎng)度為圍巖松動(dòng)高度b，幫錨桿有效支護(hù)長(zhǎng)度為巖巷破碎深度c；L3為錨入巖層深度，m；根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，頂（幫）錨索和幫錨桿錨入巖層深度分別為5.0 m和0.6 m。

式中：B為巷道掘進(jìn)跨度，m，取4.53 m；H為巷道掘進(jìn)跨度和高度，取4.53 m；f頂為頂板巖石普氏系數(shù)，取4.0；ω幫為兩幫圍巖的內(nèi)摩擦角，°，取75.96°。

經(jīng)計(jì)算，b≈706 mm；c≈558 mm；進(jìn)而可以求得頂錨索總長(zhǎng)度為5 955 mm；錨桿長(zhǎng)度為1 258 mm。頂錨索L索要求長(zhǎng)度至少為5 955 mm，錨桿長(zhǎng)度要求至少為1 258 mm，支護(hù)過(guò)程中錨索、錨桿長(zhǎng)度分別為6 200 mm和2 000 mm；所以，錨桿（索）長(zhǎng)度均符合支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（2）錨桿間排距校核

錨桿間排距主要根據(jù)錨桿所能懸吊的重量進(jìn)行校核。單根錨桿懸吊巖體重量為G，錨桿錨固力Q應(yīng)能承擔(dān)G的重量。其關(guān)系如下[4]：

式中：α為錨桿間排距，m；Q為錨桿錨固力，kN/根，取157 kN/根；γ為巖體容重，kN/m3，取30 kN/m3；K為安全系數(shù)，本巷道取2.0。

該巷道所選φ20 mm規(guī)格的20MnSi螺紋鋼錨桿錨固力Q≥157 kN，計(jì)算得α＜1.74 m，所以，錨桿間排距設(shè)置能夠符合設(shè)計(jì)要求。

（3）錨索間距校核

根據(jù)懸吊理論進(jìn)行該巷道支護(hù)錨索間距校核，公式如下[5]：

式中：L為錨索間距，m，取1.0 m；B為巷道寬，m，取4.53 m；H為巷道冒落高度最大值，m，取4.53 m；L1為錨索設(shè)置排距，m，取0.9 m；F1為錨索設(shè)計(jì)錨固力，kN，取330 kN；F2為錨索極限承載力，kN，790 kN；θ為角錨桿與巷道頂板所形成的夾角，°，取90°；n為錨索排數(shù)（排），取1排。

將取值代入式（6）可得，錨索間距L≤2.05 m，錨索間距設(shè)計(jì)值為0.9 m，完全符合設(shè)計(jì)及巷道支護(hù)穩(wěn)定要求。

3 錨桿托盤優(yōu)化

錨桿托盤設(shè)計(jì)及參數(shù)的合理性對(duì)于錨桿支護(hù)質(zhì)量十分關(guān)鍵，為此在錨桿、錨索及其余支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)優(yōu)化托盤參數(shù)。該礦瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷錨桿托盤使用彈性模量210 GPa、泊松比0.3、屈服強(qiáng)度345 MPa的Q345鋼板材料，在材料選擇方面基本符合支護(hù)強(qiáng)度要求，故此處僅進(jìn)行錨桿托盤厚度的優(yōu)化。

3.1 模型構(gòu)建

依據(jù)設(shè)計(jì)錨桿托盤參數(shù)并應(yīng)用建模軟件構(gòu)建錨桿托盤三維實(shí)體模型，將其導(dǎo)入至ANSYS分析軟件中構(gòu)建有限元分析模型[2]，并在特定的邊界條件下分析模型對(duì)應(yīng)的有限元靜力情況。結(jié)合錨桿托盤實(shí)際受力過(guò)程，可設(shè)定以下邊界條件：將固定約束施加于托盤底面，并將其x、y、z三個(gè)方向的位移分別限定為0，即Ux=Uy=Uz=0；沿y軸負(fù)方向向錨桿托盤頂面施加150 kN的壓力。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)有限元分析，當(dāng)錨桿托盤厚度為6 mm時(shí)其變形量最大值（0.04 mm）出現(xiàn)在圓環(huán)內(nèi)緣部位，而應(yīng)力最大值478 MPa出現(xiàn)在錨桿托盤外緣。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，錨桿托盤應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料極限強(qiáng)度，無(wú)法達(dá)到使用要求，故需要增大錨桿托盤厚度，以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。結(jié)合類似巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段具體提出8 mm、10 mm、12 mm三種厚度方案，并分別進(jìn)行錨桿托盤實(shí)際受力情況分析，以確定出最佳厚度。

在網(wǎng)格數(shù)量、分析方法及邊界條件不變的情況下進(jìn)行不同厚度錨桿托盤受力的有限元分析，所得到的厚度分別為8 mm、10 mm、12 mm時(shí)的錨桿托盤應(yīng)力極限值分別為395 MPa、302 MPa和216 MPa。根據(jù)有限元分析結(jié)果可以看出，隨著錨桿托盤厚度的增大，其應(yīng)力極限值隨之減小，且錨桿托盤厚度取10 mm時(shí)應(yīng)力結(jié)果符合托盤強(qiáng)度條件，為此，該瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷支護(hù)錨桿托盤厚度確定為10 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，錨桿支護(hù)既能為新景公司瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷提供支護(hù)阻力，又能顯著提升瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷圍巖峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及承載能力，并有效改善瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷圍巖巖體力學(xué)參數(shù)，減小瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷圍巖塑性區(qū)及破碎區(qū)半徑和圍巖位移，且錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)、間排距越小、錨桿結(jié)構(gòu)自身承載能力越大，對(duì)瓦斯管聯(lián)絡(luò)巷圍巖承載能力的提升越有利。根據(jù)有限元分析，提出了進(jìn)行巷道錨桿托盤優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮的實(shí)際問(wèn)題，并為錨桿托盤優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。