煤礦巷道不同部位錨索的受力規(guī)律研究

麻曉東

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033000）

錨索與錨桿作為支護(hù)巷道圍巖的主要材料，錨索能夠承受的預(yù)緊力要大于錨桿，并且錨固的巖層也更深，加固范圍更廣。研究人員對于不同情況下錨桿的加固機(jī)理和受力特點進(jìn)行了研究[1-5]，卻鮮有人研究煤礦錨索的受力情況和支護(hù)效果。為了掌握巷道頂板中錨索的受力特點和支護(hù)效果，以店坪煤礦二采區(qū)9#煤巷道為研究背景，通過數(shù)值模擬的方式分析巷道頂板的變形特點[6-7]，研究各長度錨索的受力情況和支護(hù)效果，為相關(guān)工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1 概況

二采區(qū)9#煤層位于太原組中部，含有1～4 層砂質(zhì)泥巖夾矸，夾矸總厚度為0.2～0.35 m，平均厚度0.25 m。工作面范圍內(nèi)煤層厚度較穩(wěn)定，厚度為2.4～3.2 m，均厚3.0 m，回采巷道均沿煤層布置，正巷從開口到420 m 煤層厚度穩(wěn)定為3.0 m，420 m至670 m 煤層厚度從3.0 m 逐漸變薄為2.7 m，之后到切巷煤層厚度逐漸變厚穩(wěn)定為3.0 m。

2 巷道頂板受力分析

2.1 數(shù)值模型的建立

通過構(gòu)建數(shù)值模型的方式來研究頂板各部位錨索的實際受力規(guī)律。40 m×1 m×25 m 為數(shù)值模型的具體尺寸。利用設(shè)置interface 單元的方式來對巷道頂板2.5 m 范圍的層理進(jìn)行模擬，與現(xiàn)場頂板條件相結(jié)合，設(shè)置0.2 m、0.3 m 和0.4 m 為分層厚度。在巷道頂板布設(shè)6 根錨索，呈一排布設(shè)，1 m 為其間距，錨索長和錨固長度分別為7.5 m 和1.5 m。因為錨索在巷道頂板上是對稱布置的，位置對稱的錨索受力情況基本一致，所以只分析距離巷道一邊較近的3 根錨索的受力情況。3 根錨索從巷道肩角開始分別編為1 號、2 號和3 號。

2.2 頂板錨索實際受力特點

在數(shù)值分析模型的建立過程中，設(shè)置的工況為有錨索預(yù)緊力和無支護(hù)情況，其中錨索預(yù)緊力有50 kN、100 kN、150 kN 三種情況，以此研究錨索受力和巷道頂板變形的變化特點。

對于巷道頂板的變形情況，根據(jù)數(shù)值模型得出在不同預(yù)緊力和無支護(hù)條件下頂板的豎向下沉變形情況，見圖1。從圖1 能夠看出，整體上頂板變形主要為撓曲下沉，頂板豎向位移和中部的距離越短，下沉值隨之增大，距離兩幫越近，下沉值則越低。頂板無支護(hù)時表現(xiàn)出比較明顯的撓曲變形和離層現(xiàn)象，625 mm 為下沉量最大值；在設(shè)置了帶有預(yù)緊力的錨索后，能夠看出頂板下沉量明顯減小，離層現(xiàn)象消失；當(dāng)提高錨索預(yù)緊力時，頂板變形值不斷降低，圍巖的控制效果不斷提高。

圖1 巷道頂板在各錨索預(yù)緊力下的豎向變形

2.3 錨索的軸向拉力

根據(jù)模擬結(jié)果得到三種預(yù)緊力下錨索的軸向受力情況，見圖2。從圖2 中能夠看出，在自由段時錨索的軸向拉力基本一致，在錨固段時軸向拉力隨著錨固長度的提高而降低。當(dāng)預(yù)緊力一致時，錨索在頂板所處的位置不同，其軸向受力情況也有所不同，與頂板中部距離越短，所受拉力就越大。提高錨索預(yù)緊力后，各部位錨索的軸向拉力之間的差值慢慢縮小，特別是對和肩角距離較近的兩根錨索有更加明顯的影響，受力逐漸均勻。與巷道頂板變形特點相結(jié)合能夠得到，錨索因位置不同而出現(xiàn)軸向拉力的差異，主要是由頂板撓曲變形程度不同造成的。距離中部越近，頂板的下沉值就越高，其軸向拉力也就越大；距離兩幫越近，下沉值就越低，錨索受到的軸向拉力也就越小。提高錨索預(yù)緊力后，有效控制住了頂板的下沉趨勢，減小了不同部位下沉量的差值。

圖2 頂板錨索軸向受力特點

2.4 錨索的橫向剪力

如圖3 所示為各部位錨索的橫向受力情況。從圖3 中能夠看出，錨索的剪切力在0～2.5 m 范圍內(nèi)有較大的波動，受力明顯，大部分剪力峰值處于0.5～2.0 m 深度范圍內(nèi)；超過2.5 m 時，橫向剪力基本不再會對錨索產(chǎn)生大的影響。當(dāng)預(yù)緊力相同時，頂板錨索的剪力隨其和巷道幫部距離的減小而增大，隨著和中部距離的減小而降低，其剪力分布特點恰好和軸力相反。錨索預(yù)緊力提高后，各位置錨索剪力間的峰值差距慢慢縮小，預(yù)緊力對巷道肩角部位的兩根錨索影響較大，受力逐漸均勻。與巷道變形特點相綜合分析，能夠得出頂板在下沉?xí)r同時出現(xiàn)橫向的層間剪切錯動與豎直方向上的撓曲變形，距離巷道幫部越近，層間錯動就越明顯，錨索受到的剪力就越大；盡管撓曲變形較大值出現(xiàn)在中間區(qū)域，但此區(qū)域并沒有明顯的層間剪切錯動。錨索預(yù)緊力提高后，總體來看頂板位移值縮小，距離巷道頂板越近剪切錯動越小。由此能夠得出，在下位頂板巖層中錨索的受力情況比較復(fù)雜，錨索會同時受到橫向?qū)娱g剪切錯動和軸向拉伸的作用，說明橫向剪切荷載和軸向拉伸荷載同時作用于錨索上，這也是頂板錨索大多在頂板2.0 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)破壞的主要原因。頂板錨索距離中幫部越近，剪切荷載就越明顯，距離中部越近，拉伸荷載的值就越大；增大錨索的預(yù)緊力能夠?qū)敯遄冃纹鸬胶芎玫囊种谱饔?，提高頂板的穩(wěn)定性，削弱錨索所受的負(fù)面力，避免錨索出現(xiàn)破損和斷裂，以此達(dá)到提升支護(hù)體系整體穩(wěn)定性的目的。

圖3 頂板錨索橫向剪力受力特點

2.5 不同長度錨索的支護(hù)效果

為了獲取錨索的應(yīng)力分布情況，揭示各長度錨索對圍巖的支護(hù)效果，在各錨索自由段中間位置布設(shè)了一條測線來對各部位壓應(yīng)力進(jìn)行提取。如圖4為提取所得的錨索應(yīng)力分布，其中測線平行于頂板。從圖4 能夠得出，錨索伸入圍巖中的錨固段形成了拉應(yīng)力，為了保證錨索的支護(hù)能力，一定要把錨索錨固進(jìn)強(qiáng)度較高的堅硬巖層中。當(dāng)增大錨索長度時，頂板上形成的有效壓力區(qū)的寬度和高度也都得到了提高，這表示圍巖受錨索加固的范圍逐漸增大。錨索長度在4 m 以下時，提高錨索的長度能夠削弱錨索自由段中間位置圍巖壓應(yīng)力的疊加幅度，表示錨索對圍巖的支護(hù)強(qiáng)度隨著錨索長度的增大而減小；當(dāng)錨索長度為3 m 時，單根錨索就能夠形成非常大的壓應(yīng)力，不過因為錨索長度較短，在群體支護(hù)時橫向范圍內(nèi)壓應(yīng)力并沒有很明顯的疊加效果，壓力的分布呈現(xiàn)為波浪形。由上述分析可以得到，當(dāng)預(yù)緊力一定時，圍巖的主動支護(hù)區(qū)域會隨著錨索長度的增大而增大，但卻在一定程度上削弱了中間部位圍巖的主動支護(hù)能力，此時短錨索的支護(hù)能力要優(yōu)于長錨索。但是，錨索較短會對群體支護(hù)的效果造成一定負(fù)面影響，因此在巷道頂板錨索設(shè)計過程中要注意錨索長度不能太長，也不宜過短。

圖4 自由段中部各長度錨索的壓力分布情況

3 結(jié)論

本研究以店坪煤礦二采區(qū)9#煤為研究背景，通過數(shù)值模擬的方式分析巷道頂板的變形特點，研究各長度錨索的受力情況和支護(hù)效果，得出以下結(jié)論：

1）煤層巷道整體上頂板變形主要為撓曲下沉，頂板豎向位移和中部的距離越短，下沉值隨之增大，距離兩幫越近，下沉值則越低。頂板無支護(hù)時表現(xiàn)出比較明顯的撓曲變形和離層現(xiàn)象；預(yù)緊力錨索能夠明顯減小頂板的下沉量，消除離層現(xiàn)象；當(dāng)提高錨索預(yù)緊力時，頂板變形值不斷降低，圍巖的控制效果不斷提高。

2）在自由段時錨索的軸向拉力基本一致，在錨固段時軸向拉力隨著錨固長度的提高而降低；增大錨索預(yù)緊力后，錨索之間軸向拉力的差值慢慢減小，受力逐漸均勻；距離中部越近，頂板的下沉值就越高，其軸向拉力也就越大；距離兩幫越近，下沉值就越低，錨索受到的軸向拉力也就越小。

3）在下位頂板巖層中錨索的受力情況比較復(fù)雜，錨索會同時受到橫向?qū)娱g剪切錯動和軸向拉伸的作用，說明橫向剪切荷載和軸向拉伸荷載同時作用于錨索上；當(dāng)增大錨索長度時，頂板上形成的有效壓力區(qū)的寬度和高度也都得到了提高，但短錨索對中間部位圍巖的支護(hù)能力要高于長錨索。