不同錨索參數(shù)對預(yù)應(yīng)力場影響的數(shù)值模擬研究

陳新宇

（陽煤集團碾溝煤業(yè)有限公司， 山西 清徐 030400）

引言

錨索支護(hù)被廣泛應(yīng)用于礦井巷道圍巖控制中，錨索具有錨固深度大、承載能力高、可施加預(yù)應(yīng)力較大的特點。傳統(tǒng)的錨索支護(hù)理論認(rèn)為錨索主要作用是將上部穩(wěn)定巖層與下部不穩(wěn)定巖層連接起來，起懸吊作用。因此，選取錨索時主要要求：錨索長度超過穩(wěn)定巖層厚度；錨索能夠保證懸吊住下部不穩(wěn)定巖層的重量，而對于錨索的其他參數(shù)沒有具體的要求。目前學(xué)者對錨索支護(hù)作用機理深入研究發(fā)現(xiàn)，錨索不僅起到懸吊的作用，而且可以在圍巖中形成支護(hù)應(yīng)力場，對圍巖起到有效的控制，阻止了圍巖變形破壞，保證了圍巖的安全穩(wěn)定性。錨索的長度及預(yù)應(yīng)力在其中起到了決定性作用，因此，正確對錨索參數(shù)進(jìn)行選取，能保證巷道圍巖穩(wěn)定，對礦井安全高效生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 工程概況

某煤礦現(xiàn)主采3號煤層，采用綜采放頂煤開采工藝，煤層厚度平均為6 m，煤層傾角6°～10°，平均8°，煤質(zhì)為貧煤，采空區(qū)頂板自由垮落。巷道埋深300 m左右，直接頂為7.2 m厚的砂質(zhì)泥巖，老頂為13 m厚的中粒砂巖，直接底為20 m厚的砂巖和砂紙泥巖?，F(xiàn)對2105回風(fēng)巷錨索參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。該巷道使用全錨索支護(hù)，巷寬4.6 m，高3.6 m。本次模擬分別對該礦不同錨索長度和預(yù)緊力的支護(hù)效果進(jìn)行研究。模擬方案如下：不同錨索長度（4 300 mm、6 300 mm、8 300 mm）對支護(hù)效果影響和不同錨索預(yù)緊力（100 kN、150 kN、200 kN、250 kN）對支護(hù)效果影響。

2 數(shù)值模型的建立

一般分析錨桿與錨索支護(hù)作用的模型，是在原巖應(yīng)力狀態(tài)下開挖巷道，然后安裝錨桿與錨索，巷道周圍應(yīng)力狀態(tài)重新分布，圍巖發(fā)生變形與破壞，錨桿與錨索受力、變形。但是，由于圍巖應(yīng)力比錨桿、錨索提供的應(yīng)力大得多，因此，錨桿與錨索支護(hù)在圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)力場被完全覆蓋，無法進(jìn)行分析與研究。為此，本部分?jǐn)?shù)值模擬將在不考慮原巖應(yīng)力，即在零原巖應(yīng)力場條件下，分析全錨索支護(hù)方式中錨索長度和預(yù)應(yīng)力引起的應(yīng)力場分布特征與影響因素。

數(shù)值模擬水平方向長為200 m，垂直方向高為100 m，寬為50 m，模型上部上覆巖層重量取3 MPa，共建立網(wǎng)格的數(shù)量為239 580個。模型巖層劃分地質(zhì)柱狀圖，假設(shè)各巖層為均質(zhì)、各向同性材料。模型底部固支，側(cè)面設(shè)置水平位移，數(shù)值計算模型如圖1所示。

圖1 2105回風(fēng)巷數(shù)值模型整體圖

3 不同錨索長度對預(yù)應(yīng)力場的影響

下頁圖2是不同錨索長度的預(yù)應(yīng)力場分布，錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN。

由下頁圖2模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：

1）隨著錨索長度增加，有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍在高度方向上逐漸增加，表明錨索主動支護(hù)作用的范圍不斷擴大，但在寬度方向上變化不明顯，而且隨著錨索長度增加有減小的趨勢[1-2]。

圖2 不同錨索長度時預(yù)應(yīng)力場分布

2）隨著錨索長度增加，錨索中部及以上部分的壓應(yīng)力逐步減小，表明錨索對中部及上部圍巖的支護(hù)作用不斷減??；

3）隨著錨索長度增加，兩錨索之間中部圍巖的壓應(yīng)力逐步減小，表明錨索對其間圍巖的支護(hù)作用不斷減小。

可見，在預(yù)應(yīng)力一定的條件下，錨索長度的選擇應(yīng)根據(jù)頂板巖層條件及地應(yīng)力大小綜合考慮，在錨固端錨固在穩(wěn)定巖體內(nèi)部后，錨索的長度不宜過長，可以通過提高預(yù)應(yīng)力的方式來適當(dāng)縮短錨索長度[3]。

4 不同錨索預(yù)應(yīng)力對預(yù)應(yīng)力場分布特征的影響

模擬錨索預(yù)應(yīng)力從100～150 kN（間隔50 kN）形成的應(yīng)力場分布，在此，將錨索預(yù)應(yīng)力在圍巖中形成的應(yīng)力場稱為錨索預(yù)應(yīng)力場。圖3是錨索預(yù)應(yīng)力分別為100～150 kN時巷道圍巖的預(yù)應(yīng)力場分布。

圖3 不同錨索預(yù)應(yīng)力時應(yīng)力場分布

從圖3模擬結(jié)果可以看出，由于錨索的長度遠(yuǎn)大于錨桿，當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力為100 kN時，頂板和兩幫錨索預(yù)應(yīng)力都未能擴散到錨索整個長度范圍，頂部錨索僅在錨索錨固段附近和錨索尾部1 m范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力擴散較為良好，且?guī)r體內(nèi)部壓應(yīng)力值較低。當(dāng)預(yù)應(yīng)力為150 kN時，頂板兩根錨索之間煤巖體內(nèi)壓應(yīng)力值僅為0.1～0.13 MPa。當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力增加到200 kN時，頂板兩根錨索之間煤巖體內(nèi)壓應(yīng)力值可以達(dá)到0.3 MPa，且壓應(yīng)力擴散范圍在長度方向為錨索整個長度范圍內(nèi)。當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力值從200 kN增大到250 kN時，巖體內(nèi)部壓應(yīng)力擴散范圍相差不大，頂板兩根錨索之間煤巖體內(nèi)壓應(yīng)力值增加速度逐漸趨于緩慢，預(yù)應(yīng)力為250 kN時，頂板兩根錨索之間煤巖體內(nèi)壓應(yīng)力值為0.35 MPa。因此在2105回風(fēng)巷中，4.3 m長錨索的預(yù)應(yīng)力選擇為200 kN。由于6.3 m長錨索長度較大，考慮到錨索長度越大，預(yù)應(yīng)力損失越大，預(yù)應(yīng)力值初步設(shè)計為250 kN[4-5]。

5 結(jié)論

根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果分析，對不同錨索參數(shù)對支護(hù)效果的影響得到以下結(jié)論：

1）隨著錨索長度增加，有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍在高度方向上逐漸增加，但在寬度方向上變化不明顯，而且隨著錨索長度增加有減小的趨勢；錨索長度中部及以上部分的壓應(yīng)力逐步減小，表明錨索對中部及上部圍巖的支護(hù)作用不斷減?。粌慑^索之間中部圍巖的壓應(yīng)力逐步減小，表明錨索對其間圍巖的支護(hù)作用不斷減小。

2）當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力越大，支護(hù)效果越好。當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力值從200 kN增大到250 kN時，巖體內(nèi)部壓應(yīng)力擴散范圍相差不大，頂板兩根錨索之間煤巖體內(nèi)壓應(yīng)力值增加速度逐漸趨于緩慢。

3）錨索長度和預(yù)應(yīng)力的選取應(yīng)相匹配起來，才能達(dá)到較好的支護(hù)效果。

最終確定，在2105回風(fēng)巷中，對于不同長度錨索，其預(yù)應(yīng)力的選擇方案是：4.3 m長錨索的預(yù)應(yīng)力為200 kN；將6.3 m長錨索的預(yù)應(yīng)力值初步設(shè)計為250 kN。