不同錨桿支護(hù)參數(shù)對巷道支護(hù)作用的機(jī)理分析

趙亞鵬

（山西潞安郭莊煤礦有限責(zé)任公司，山西 長治0 46100）

引言

煤炭是我國工業(yè)發(fā)展的命脈，對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。我國的煤炭資源多依靠地下開采的方式，在進(jìn)行開采的過程中對井下各種巷道的掘進(jìn)及支護(hù)是重要的工作內(nèi)容。井下巷道的支護(hù)對巷道的穩(wěn)定性及煤礦的安全開采具有重要的作用[1]。隨著我國煤層的不斷開采，逐漸向著深部高應(yīng)力的煤層過渡，開采的難度不斷增加，巷道的變形增加[2]，因此對巷道支護(hù)的要求越來越高。煤礦開采過程中，增加支護(hù)的密度是保證巷道穩(wěn)定性的一種方式，單純地增加支護(hù)密度會造成采掘接替的緊張[3]，影響煤礦的開采效率。針對巷道錨桿支護(hù)的不同參數(shù)進(jìn)行分析，研究不同參數(shù)對巷道支護(hù)的機(jī)理作用[4]，從而采用合理的支護(hù)方式保證巷道的穩(wěn)定性，并提高煤礦的開采效率。

1 錨桿對巷道支護(hù)作用的機(jī)理分析

煤層開采時，巷道在開挖之前的圍巖處于三向受力狀態(tài)，體積受到一定的壓縮而處于彈性狀態(tài)，具有較高的承受破壞的能力[5]。巷道掘進(jìn)后，巷道的圍巖附近的應(yīng)力降低，從而使得巷道表面的應(yīng)力逐漸增加，由于圍巖的壓力作用對巖層的強(qiáng)度造成影響，使得圍巖產(chǎn)生變形。

巷道掘進(jìn)的過程中，由于巷道的埋深、圍巖性質(zhì)及采動作用的不同，使得圍巖的變形量不同，且不同地質(zhì)條件下圍巖的變形量也不同[6]。不同地質(zhì)條件下巷道巖體變形的深表比的變化趨勢與巷道掘進(jìn)過程中受到的應(yīng)力重力的分布一致，主要受到自身巖體的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)影響，同時受垂直應(yīng)力、巷道斷面的作用。

巷道進(jìn)行掘進(jìn)開挖后，需采用錨桿進(jìn)行巷道的支護(hù)從而控制巷道圍巖的變形過大，錨桿是安裝在圍巖體內(nèi)部的支護(hù)桿，其受到的作用力相對復(fù)雜[7]。錨桿進(jìn)行支護(hù)的過程中，對巷道圍巖的作用力可以分為徑向錨固力及切向錨固力，如圖1所示。

圖1 錨桿的支護(hù)作用力示意圖

切向錨固力指錨桿在支護(hù)過程中對弱面形成的限制巷道弱面滑動及擴(kuò)大的約束力，巷道的弱面與巷道一般呈一定角度分布，錨桿對弱面的作用力和弱面相切。弱面自身的強(qiáng)度較低，不利于巷道的穩(wěn)定，切向錨固力對保持巷道的穩(wěn)定性作用較大。切向錨固力依據(jù)作用機(jī)理的不同可以分為托錨力及黏錨力[8]，托錨力是指在進(jìn)行支護(hù)的過程中通過鉆機(jī)施加的預(yù)應(yīng)力作用在巷道的表面限制巷道變形的徑向約束力，托錨力使得圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，將圍巖的單向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向或者三向應(yīng)力[9]，從而提高圍巖自身的強(qiáng)度，提高巷道的穩(wěn)定性。錨桿進(jìn)行支護(hù)的過程中通過錨固劑與圍巖相互黏接，形成一個整體，在巷道發(fā)生變形引起不同深度的位移不同時，引起圍巖的錯動，此時圍巖受到錨桿的作用力成為黏錨力[10]。黏錨力對巷道施加沿著軸向的作用力，減小圍巖的錯動。

2 不同錨桿支護(hù)參數(shù)的作用機(jī)理分析

進(jìn)行巷道掘進(jìn)的過程中，巖層的圍巖產(chǎn)生一定的破裂，錨桿對圍巖的加固作用通過托盤及桿體的托錨力及黏錨力結(jié)合錨桿的切向力限制巷道圍巖的變形。在進(jìn)行巷道掘進(jìn)支護(hù)的過程中，錨桿的參數(shù)設(shè)計對支護(hù)的作用具有直接的影響[11]。針對錨桿的預(yù)緊力及布置角度，對不同參數(shù)下的錨桿支護(hù)的機(jī)理進(jìn)行分析。

2.1 錨桿預(yù)緊力

錨桿進(jìn)行支護(hù)過程中的預(yù)緊力對保證錨桿的高效支護(hù)具有決定性的作用，可以提高單個錨桿的支護(hù)能力。對不同錨桿預(yù)緊力作用下的錨桿支護(hù)的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析，得到預(yù)緊力為20 kN及100 kN時的應(yīng)力分布如圖2所示。從圖2中可以看出，在預(yù)緊力為20 kN時，錨桿尾部的應(yīng)力較為集中，隨著錨桿支護(hù)深度的增加，壓應(yīng)力逐漸降低，且在到達(dá)忙那一半長度時，壓應(yīng)力作用為零；錨桿較小的預(yù)緊力使得錨桿產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場強(qiáng)度較低，錨桿兩端的應(yīng)力作用不能形成整個的應(yīng)力場作用，錨桿中間段的應(yīng)力重疊較少，錨桿的支護(hù)作用較弱。在預(yù)緊力為100 kN時可以看到，在錨桿的中間長度時形成了強(qiáng)度較大的壓應(yīng)力作用區(qū)，相對于20 kN時的有效壓應(yīng)力作用增加較大，同時錨桿的另一端出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)域，與微端的壓應(yīng)力作用相互配合形成壓應(yīng)力場，可以有效地控制巷道圍巖的變形。錨桿之間形成整體作用的壓應(yīng)力區(qū)域，多個錨桿支護(hù)時對巷道的支護(hù)起到了更好的作用。

圖2 不同錨桿預(yù)緊力作用下的應(yīng)力場分布

2.2 錨桿安裝角度

錨桿進(jìn)行支護(hù)過程中桿體的軸向與頂板的垂線之間常依據(jù)地形的不同存在一定的角度，即為錨桿支護(hù)的安裝角度。錨桿安裝角度的不同對巷道支護(hù)的應(yīng)力場具有一定的影響，對垂直安裝、傾斜角10°、傾斜角30°的應(yīng)力場進(jìn)行模擬分析，得到不同安裝角度的應(yīng)力場分布如圖3所示。從圖3中可以看出，錨桿進(jìn)行垂直安裝時，四角的錨桿與巷道中間位置的頂錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)域相互重疊相互作用，在頂板的深度上形成較大的應(yīng)力場，且分布較為均勻，占據(jù)了大部分的錨固范圍，有利于錨桿預(yù)緊力的擴(kuò)散作用[12]，具有較好的支護(hù)作用。在錨桿的安裝角度增加時，四角的錨桿應(yīng)力場與中間位置的壓應(yīng)力區(qū)域重合逐漸減小，應(yīng)力場的強(qiáng)度不斷降低，對巷道圍巖的錨固作用也隨時降低。在安裝角度為30°時，相互之間的應(yīng)力場基本么有重疊作用，形成相互獨立的錨桿支護(hù)，對巷道支護(hù)的作用有限，不能發(fā)揮錨桿之間的整體作用，不利于控制巷道的圍巖變形。

圖3 不同錨桿安裝角度的應(yīng)力場分布

在進(jìn)行錨桿支護(hù)的過程中，預(yù)緊力的作用也會相互疊加，采用錨桿控制圍巖的變形作用時安裝角度越小越好，有利于預(yù)緊力的擴(kuò)散作用，最好采用垂直安裝的形式。當(dāng)巷道的地質(zhì)條件不允許進(jìn)行垂直安裝時，錨桿的安裝角度不能大于10°，從而可以發(fā)揮錨桿之間的作用，避免單個錨桿發(fā)揮支護(hù)作用。

3 結(jié)語

錨桿支護(hù)是巷道掘進(jìn)過程中的重要工作內(nèi)容，對煤礦及巷道的安全具有重要的作用。在巷道掘進(jìn)的過程中，對巷道進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)的不同對支護(hù)的效果具有重要的影響。針對巷道支護(hù)的機(jī)理作用，從影響錨桿支護(hù)力的因素中選擇錨桿的預(yù)緊力及安裝角度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，錨桿的預(yù)緊力要保證一定的強(qiáng)度才能發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用，在地形允許的條件下盡量采用較小的錨桿安裝角度，有利于發(fā)揮錨桿間的支護(hù)作用。進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計的過程中，可據(jù)此進(jìn)行合理支護(hù)參數(shù)的選擇，從而保證支護(hù)的效果以及煤礦的安全生產(chǎn)。