錢(qián)營(yíng)孜礦1.8Mta新井設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,錢(qián)營(yíng)孜礦,mta,設(shè)計(jì),cad,圖紙,文檔 專 題 部 分 煤巷中錨桿、錨索支護(hù)作用機(jī)理 摘　要:在分析目前錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)條件下施加預(yù)緊力時(shí)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上,提出了錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)的預(yù)應(yīng)力協(xié)調(diào)問(wèn)題,并采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)錨桿(索)施加不同組合預(yù)緊力時(shí)圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分布特征與規(guī)律進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明:預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)可以在巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)中形成相互連接、相互疊加的有效壓應(yīng)力區(qū),隨著錨桿(索)預(yù)應(yīng)力的增加,壓應(yīng)力區(qū)的值和范圍也相應(yīng)地增加;錨桿端部的拉應(yīng)力值和范圍隨錨桿預(yù)緊力矩的增加而增大,這種情況可以通過(guò)施加錨索預(yù)緊力進(jìn)行平衡,錨桿預(yù)緊力矩越大,平衡其端部拉應(yīng)力區(qū)所需的錨索預(yù)緊力越大;結(jié)合工程施工現(xiàn)狀,合理的錨桿預(yù)緊力矩選擇在300～400 N·m,錨索預(yù)緊力為200～300 kN比較合理。井下試驗(yàn)表明,合理預(yù)應(yīng)力組合的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)可以有效控制圍巖變形。 關(guān)鍵詞:煤巷;錨桿、錨索;協(xié)調(diào)作用;應(yīng)力場(chǎng) 0引言 我國(guó)自20世紀(jì)80年代引進(jìn)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)以來(lái),經(jīng)過(guò)消化、吸收,目前煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)得到了大面積的推廣應(yīng)用,特別是1996年我國(guó)煤礦成功研制了小孔徑樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索之后,錨桿- 錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在煤巷中得到了極大地推廣應(yīng)用,提高了巷道支護(hù)的安全性和可靠性,有效解決了深部及復(fù)雜困難巷道的支護(hù)難題。因此,進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)對(duì)巷道圍巖加固作用的研究具有很重要的意義。 1　錨桿(索)預(yù)應(yīng)力的重要作用 預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)的重要參數(shù),無(wú)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)如同砌碹支護(hù)、架棚支護(hù)等屬于被動(dòng)支護(hù),而預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù)。錨桿(索)預(yù)應(yīng)力的重要性,在巖土工程中已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用,在隧道、邊坡、基坑加固和水利水電等工程中,預(yù)應(yīng)力錨桿(索)應(yīng)用都很普遍[ 1 - 2 ] 。如三峽永久船閘邊坡錨索的預(yù)拉力值高達(dá)3 000 kN[ 3 ] ;混凝土重力壩閘墩加固采用拉力值為980～1 900 kN 預(yù)應(yīng)力錨索[ 4 - 5 ] ?；蛹庸痰臄?shù)值模擬研究表明,提高錨索的預(yù)應(yīng)力,可有效減少塑性區(qū)[ 6 ] 。 目前, 美國(guó)煤礦巷道的錨桿預(yù)緊力一般為100 kN,可以達(dá)到錨桿桿體屈服載荷的50% ～75% ,并且美國(guó)早在20世紀(jì)70年代末就首次將漲殼式頭與樹(shù)脂錨固劑聯(lián)合使用,并采用減摩塑料墊圈實(shí)現(xiàn)了錨桿的高預(yù)應(yīng)力。高預(yù)應(yīng)力錨桿顯著提高了巷道頂板的穩(wěn)定性,大大降低了頂板冒落的事故。美國(guó)礦山支護(hù)效果顯著的原因,很大程度上是其對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力機(jī)理的深刻認(rèn)識(shí)[ 7 ] 。我國(guó)學(xué)者對(duì)錨桿(索)預(yù)應(yīng)力的作用也有一定的研究。文獻(xiàn)[ 8 ]的研究結(jié)果表明,當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到60～70 kN時(shí),就可以有效控制巷道頂板下沉;文獻(xiàn)[ 9 ]提出基于水平地應(yīng)力的“剛性梁”結(jié)構(gòu),認(rèn)為當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí),可使錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)和長(zhǎng)度以上的頂板離層消除;文獻(xiàn)[ 10 ]也對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力的作用進(jìn)行了一定的研究。在小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)用研究方面,文獻(xiàn)[ 11 - 13 ]進(jìn)行了一系列的研究和應(yīng)用,取得了良好的效果,錨索可以施加較大的預(yù)應(yīng)力,抑制圍巖的離層、滑動(dòng)等有害變形。 總體來(lái)說(shuō),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況,我國(guó)煤礦對(duì)錨桿(索)預(yù)應(yīng)力作用的認(rèn)識(shí)不足,遇到難支護(hù)巷道,往往通過(guò)增加錨桿(索)的支護(hù)密度來(lái)提高支護(hù)效果,導(dǎo)致錨桿支護(hù)密度過(guò)大,支護(hù)系統(tǒng)的作用不能充分發(fā)揮,而且嚴(yán)重影響巷道的施工速度。針對(duì)上述問(wèn)題,煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)分院巷道所立足于實(shí)踐,在錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)的作用方面從理論、技術(shù)和實(shí)踐方面做了大量的研究[ 14 - 18 ] 。文獻(xiàn)[ 15 ]采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法詳細(xì)分析了不同預(yù)應(yīng)力下錨桿、錨索產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)的分布特征,以及鋼帶對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散的作用;文獻(xiàn)[ 16 ]詳細(xì)分析了錨索預(yù)應(yīng)力的分布特征及其傳力機(jī)制;文獻(xiàn)[ 19 ]提出了支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的概念,分析了錨桿、單體支柱等主動(dòng)支護(hù)方式的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)及構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的特征,并對(duì)原巖應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的相互作用進(jìn)行了說(shuō)明。大量的井下試驗(yàn)也表明[ 13, 17 - 18, 20 ] ,錨桿預(yù)應(yīng)力能夠大幅減少巷道圍巖的破壞范圍,有效控制巷道圍巖的變形。以上這些工作加深了我國(guó)煤礦對(duì)預(yù)應(yīng)力的認(rèn)識(shí),極大地提高了錨桿預(yù)應(yīng)力支護(hù)的技術(shù)水平,促進(jìn)了預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展。 目前,對(duì)錨桿、錨索支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的研究,只是分析了不同預(yù)緊力對(duì)錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布特征的影響,并沒(méi)有研究錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí),各自施加預(yù)緊力大小的協(xié)調(diào)性問(wèn)題,如果錨桿、錨索的預(yù)緊力大小不協(xié)調(diào),就可能會(huì)出現(xiàn)支護(hù)系統(tǒng)不合理,甚至導(dǎo)致部分支護(hù)構(gòu)件失效的危險(xiǎn)。因此,本文采用數(shù)值模擬的方法,探討錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)其預(yù)應(yīng)力的協(xié)調(diào)關(guān)系。 2　數(shù)值模擬模型 為了清晰地反映出錨桿- 錨索預(yù)應(yīng)力聯(lián)合支護(hù)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng),在不考慮原巖應(yīng)力場(chǎng)的條件下,采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D模擬分析了錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力引起的應(yīng)力場(chǎng)分布特征。 2.1　模型的建立 本數(shù)值計(jì)算錨固體采用FLAC3D建立三維數(shù)值模型,模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高= 1510 m ×210 m ×1810m,巷道寬×高= 510 m ×310 m,共劃分60 750個(gè)單元。巷道頂板為泥巖,底板為砂質(zhì)泥巖,巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。 錨桿、錨索均采用cable單元模擬,錨桿彈性模量為200 GPa,直徑為22 mm,長(zhǎng)度為214 m,屈服載荷為190 kN,拉斷載荷為254 kN,加長(zhǎng)錨固,錨固長(zhǎng)度為110 m; 錨索彈性模量為195 GPa, 直徑為22 mm,長(zhǎng)度為610 m,拉斷載荷為600 kN,錨固長(zhǎng)度為115 m。頂板布置6根錨桿,間距900 mm,兩幫各布置4根錨桿,間距900 mm,頂板錨索布置2根,間距210 m,巷道錨桿(索)布置如圖1所示。 2.2　模擬方案 本文主要研究錨桿、錨索預(yù)緊力施加的協(xié)調(diào)性問(wèn)題。錨桿預(yù)緊力矩劃分為200、300、400和500 N·m四個(gè)水平,其對(duì)應(yīng)的錨桿預(yù)緊力分別為60、80、107和134 kN[ 21 ] 。錨索預(yù)緊力分別為100、200 和300 kN三個(gè)水平。按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[ 22 ]進(jìn)行組合,見(jiàn)表2。 3　預(yù)應(yīng)力錨桿- 錨索聯(lián)合支護(hù)的應(yīng)力場(chǎng)分布特征 　　巖石的破壞主要有拉破壞和剪破壞兩種形式,采用錨桿錨索支護(hù)圍巖的實(shí)質(zhì)是通過(guò)錨桿(索)的預(yù)緊力對(duì)圍巖施加一定的壓應(yīng)力,消除圍巖開(kāi)挖卸荷造成的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中,保持圍巖的完整性以起到圍巖自身承載的作用,因此保持圍巖錨固區(qū)內(nèi)壓應(yīng)力區(qū)的連續(xù)和范圍擴(kuò)大,是錨固效果得以提高的關(guān)鍵。 按照表2的錨桿- 錨索預(yù)緊力施加組合方案進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果如圖2所示。從圖2 ( a)中看出,錨桿、錨索預(yù)緊力聯(lián)合作用在錨桿和錨索組成的骨架結(jié)構(gòu)中形成了有效連續(xù)的壓應(yīng)力區(qū),壓應(yīng)力區(qū)的壓應(yīng)力值一般在40 kPa左右;隨錨索預(yù)緊力的增加,巷道表面的最大壓應(yīng)力從240 kPa增加到800 kPa,并且錨索預(yù)緊力的增加明顯減小了錨桿端部的拉應(yīng)力作用范圍,當(dāng)錨索預(yù)緊力達(dá)到300 kN時(shí),錨桿端部的拉應(yīng)力作用范圍幾乎消除。 從圖2 ( b)中看出,與圖2 ( a)相比,錨桿端部的拉應(yīng)力值和作用范圍均有所增加,巷道表面的壓應(yīng)力值也相應(yīng)增加?？傮w來(lái)說(shuō),聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中形成了有效連續(xù)的壓應(yīng)力區(qū),壓應(yīng)力區(qū)的壓應(yīng)力值一般在80kPa左右;隨著錨索預(yù)緊力的增加,巷道表面的最大壓應(yīng)力從280 kPa增加到800 kPa,錨索預(yù)緊力的增加明顯減小了錨桿端部的拉應(yīng)力作用范圍。 從圖2 ( c)中看出,與圖2 ( a) 、( b)相比,錨桿端部的拉應(yīng)力值和作用范圍又有所增加,巷道表面的壓應(yīng)力值也相應(yīng)增加。聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中形成了有效連續(xù)的壓應(yīng)力區(qū),其壓應(yīng)力值一般在100 kPa左右;隨著錨索預(yù)緊力的增加, 巷道表面的最大壓應(yīng)力從350 kPa增加到800 kPa,錨索預(yù)緊力的增加明顯減小了錨桿端部的拉應(yīng)力作用范圍,但與前兩組組合相比,減小的幅度較小,即隨著錨桿預(yù)緊力矩的增加,需要更大的錨索預(yù)緊力來(lái)平衡錨桿端部的拉應(yīng)力。 圖2 ( d)與圖2 ( c)反映的應(yīng)力值大小和作用范圍相差不大,壓應(yīng)力區(qū)的壓應(yīng)力值一般在100 kPa左右;但可以明顯看出錨桿預(yù)緊力在錨桿端部形成的拉應(yīng)力區(qū)較大,需要錨索提供更大的預(yù)緊力來(lái)進(jìn)行平衡,錨索預(yù)緊力在200 kN時(shí)還不足以平衡錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū),達(dá)到300 kN時(shí)才能有效平衡拉應(yīng)力區(qū)。 綜合圖2中4組數(shù)值模擬圖片,可以看出錨桿、錨索預(yù)緊力的施加在巷道圍巖表面及內(nèi)部形成了大小不等的壓應(yīng)力區(qū),隨著錨桿預(yù)緊力的增加,其所形成的壓應(yīng)力值和范圍也在不斷擴(kuò)大,但當(dāng)錨桿預(yù)緊力達(dá)到400 N·m后,再增加錨桿預(yù)緊力對(duì)壓應(yīng)力值和范圍的增加效果不明顯;錨桿、錨索的端部隨著預(yù)緊力的施加出現(xiàn)了大小不等的拉應(yīng)力區(qū),且其預(yù)緊力越大,拉應(yīng)力的值和范圍越大;錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū)可以通過(guò)增加錨索的預(yù)緊力來(lái)進(jìn)行平衡,錨桿的預(yù)緊力越大,相應(yīng)的需要錨索也要提供更大的預(yù)緊力,才能保證錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中壓應(yīng)力區(qū)的連續(xù)性;由圖2可以看出,錨桿的預(yù)緊力矩大于300 N·m,且錨索預(yù)緊力大于200 kN時(shí),聯(lián)合支護(hù)區(qū)域所形成的壓應(yīng)力值的大小和范圍的連續(xù)性才具有支護(hù)意義,但是錨桿預(yù)緊力矩大于400 N ·m,錨索預(yù)緊力大于300 kN后,其對(duì)聯(lián)合支護(hù)區(qū)壓應(yīng)力值及范圍的擴(kuò)展作用不明顯,因此,綜合考慮支護(hù)效果和施工的難度及進(jìn)度,建議進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿- 錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí),錨桿的預(yù)緊力矩設(shè)定在300～_______400 N ·m之間,同時(shí)錨索的預(yù)緊力設(shè)定在200～300 kN之間比較合理。 4　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐 預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)試驗(yàn)選擇在淮南謝一礦5121B10工作面回風(fēng)巷進(jìn)行,頂板錨桿直徑22 mm,長(zhǎng)度2 400 mm,間排距為900 mm ×1 000 mm,每排6根,樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固,錨桿預(yù)緊力矩設(shè)計(jì)為500 N ·m;錨索采用<22 mm, 1 ×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長(zhǎng)度6 300 mm,配合300 mm ×300 mm ×16 mm高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板,每排2根錨索,間距1 800 mm,沿巷道中間對(duì)稱布置,排距1 600 mm,預(yù)緊力300 kN。施工過(guò)程中,由于機(jī)械和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,錨桿預(yù)緊力矩在400～500 N·m之間,錨索預(yù)緊力基本達(dá)到了300 kN,由于現(xiàn)場(chǎng)條件與實(shí)驗(yàn)室條件的差別,現(xiàn)場(chǎng)錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的數(shù)值要比實(shí)驗(yàn)室結(jié)果小[ 21 ] ,錨索張拉過(guò)程中也存在一定的預(yù)緊力損失[ 23 ] 。巷道施工過(guò)程中,錨桿錨索的受力如圖3所示,錨桿錨索均為從巷道頂板左方向右方依次編號(hào)。錨桿安裝后,其預(yù)緊力從53～73 kN不等,平均為62 kN,隨著推進(jìn)距離增加,其受力逐漸增長(zhǎng),最終受力平均為74 kN; 錨索安裝初期其預(yù)緊力平均為240 kN,隨工作面推進(jìn),其受力最終平均為251 kN, 錨桿錨索的受力均在本文建議的合理預(yù)緊力協(xié)調(diào)范圍之內(nèi)。掘進(jìn)期間巷道變形觀測(cè)曲線如圖4所示。 掘進(jìn)期間,頂?shù)装逡平繛?0 mm,其中底臌量為36 mm,頂板下沉僅為24 mm;巷道兩幫移近量平均為151 mm,其中煤幫(上幫)移近量為87 mm,煤幫為主要變形部位;從控制效果來(lái)說(shuō),整個(gè)巷道變形量較小,巷道的穩(wěn)定性得到控制。采用新型預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)之前,該巷道也曾使用普通錨桿支護(hù)系統(tǒng),其錨桿預(yù)緊力矩80 N·m,錨索預(yù)緊力為150 kN,巷道變形量非常大,新型支護(hù)前后支護(hù)效果對(duì)比如圖5所示。 5巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理與效果分析 以同煤大唐塔山煤礦全煤巷道為例，采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D，對(duì)不同頂煤厚度、不同巷道布置位置、不同巷道高寬比、不同地應(yīng)力大小、不同錨桿錨索預(yù)緊力等情況下巷道圍巖受力與變形特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明: 頂煤厚度在10 m 以內(nèi)時(shí)，隨著頂煤厚度增加，應(yīng)力集中區(qū)范圍擴(kuò)大，應(yīng)力值降低; 巷道掘進(jìn)與相鄰工作面回采后在煤柱中形成的應(yīng)力集中區(qū)呈近似“三角形”的分布特征; 相同巷道高度下，隨著巷道寬度增加，頂煤應(yīng)力集中程度增加，底板巖體中應(yīng)力值卻降低; 煤巖體強(qiáng)度越高，圍巖應(yīng)力值越大; 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，錨桿與錨索施加的預(yù)緊力應(yīng)在錨固結(jié)構(gòu)中形成相互連接、相互疊加的壓應(yīng)力區(qū)。井下試驗(yàn)表明，強(qiáng)力錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)有效控制了巷道圍巖變形，為全煤巷道提供了有效的支護(hù)手段。 在我國(guó)煤炭資源總儲(chǔ)量中，厚煤層占45% 以上。近幾年，隨著我國(guó)高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展，厚煤層一次采全高、綜采放頂煤技術(shù)不斷應(yīng)用，對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)提出更高的要求。綜采放頂煤工作面回風(fēng)/運(yùn)輸巷一般沿煤層底板掘進(jìn)，頂板為一定厚度的煤層。與巖層相比，頂煤一般強(qiáng)度比較低、松軟破碎、穩(wěn)定性差。加之受到采動(dòng)強(qiáng)烈影響和遇地質(zhì)構(gòu)造，巷道變形破壞嚴(yán)重。因此，工作面回風(fēng)/運(yùn)輸巷的支護(hù)對(duì)綜放開(kāi)采尤為重要。 本文所述的全煤巷道包括兩種類(lèi)型: 頂板與兩幫為煤層的巷道; 頂板、兩幫及底板全部為煤層的巷道。目前錨桿與錨索支護(hù)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于全煤巷道支護(hù)，在適宜的條件取得良好效果［1－2］。關(guān)于全煤巷道錨桿支護(hù)技術(shù)，已經(jīng)有很多研究成果。文獻(xiàn)［3］研究了全煤巷道錨桿支護(hù)技術(shù)在沿空煤巷中的應(yīng)用，采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固高強(qiáng)錨桿支護(hù)沿空煤巷。文獻(xiàn)［4］采用數(shù)值模擬的方法研究了大斷面全煤巷道層狀頂板結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)全煤巷道圍巖的離層位置進(jìn)行了預(yù)判。錨桿支護(hù)技術(shù)在深部高地應(yīng)力全煤巷道中也得到推廣應(yīng)用［5－6］。有些學(xué)者以模糊聚類(lèi)煤巷圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)為基礎(chǔ)，對(duì)全煤巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究［7］。 通過(guò)近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于全煤巷道，大幅度提高錨桿與錨索的預(yù)應(yīng)力，采用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿支護(hù)可有效控制圍巖變形［8－10］?；谶@種支護(hù)理念，本文以同煤大唐塔山煤礦8105 工作面5105 回風(fēng)巷全煤巷道為例，采用數(shù)值模擬的方法研究全煤巷道圍巖變形特征與主要影響因素，分析錨桿與錨索與圍巖的相互作用關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出合理的錨桿與錨索支護(hù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行井下試驗(yàn)，評(píng)價(jià)支護(hù)效果。 5.1道圍巖應(yīng)力分布特征及影響因素的數(shù)值模擬 5.1 .1模擬對(duì)象 以同煤大唐塔山煤礦8105 綜放工作面5105 回風(fēng)巷為對(duì)象進(jìn)行模擬研究。8105 綜放工作面開(kāi)采3－5 號(hào)煤層。煤層平均厚度為15. 8 m。由于受火成巖侵入影響，3－5 號(hào)煤層穩(wěn)定性很差，容易發(fā)生斷裂，煤層巷道圍巖松軟破碎，煤層和巖層的不連續(xù)面容易發(fā)生離層。 5105 回風(fēng)巷斷面為矩形，寬5. 5 m，高3. 9 m。巷道沿煤層底板掘進(jìn)。直接頂為粉砂巖、泥巖，下部有硅化煤及巖漿巖，平均厚度3. 36 m。直接底為高嶺質(zhì)泥巖，平均厚度為6. 56 m。巷道埋深為460 m。地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果為: 最大水平主應(yīng)力為12. 90 MPa，垂直應(yīng)力為11. 44 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹19. 0°E。 5.1.2模擬方案 采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果確定模型中煤巖層物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。煤巖體采用Mohr －Coulomb本構(gòu)模型。 結(jié)合塔山礦5105 回風(fēng)巷地質(zhì)條件，對(duì)影響巷道圍巖應(yīng)力分布的因素進(jìn)行模擬分析。具體模擬方案如下: ( 1) 巷道沿煤層底板掘進(jìn)時(shí)，不同頂煤厚度對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響。頂煤厚度分別為0，5，10，15，20， 25 m。 ( 2) 不同巷道布置位置對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。垂直方向巷道沿頂板和沿底板兩種不同布置方式; 水平方向煤柱寬度分別為10， 20，30，40 m 時(shí)，相鄰工作面回采后對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布的影響。 ( 3) 不同巷道高寬比對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。全煤巷道高寬比為1， 0. 75， 0. 5 時(shí)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征。 ( 4) 不同地應(yīng)力對(duì)全煤巷道圍巖受力的影響。不同地應(yīng)力組合見(jiàn)表2。 5.1.3模擬結(jié)果分析 頂煤厚度對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響 圖1 為不同頂煤厚度時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布狀況。圖1( a) 巷道頂?shù)装鍨閹r體，沒(méi)有頂煤。巷道掘進(jìn)后應(yīng)力集中區(qū)主要位于頂?shù)装鍘r層中巷道四角位置，最大壓應(yīng)力值達(dá)到22 MPa; 由于頂?shù)装鍘r體強(qiáng)度相對(duì)較高，掘巷中有利于將壓力均勻的傳遞到巷道兩幫煤體中，降低巷道兩幫煤體中的壓應(yīng)力，從而減少巷道變形。從圖1( b) ～ ( f) 中可以看出，隨著頂煤厚度的增加，頂煤中壓應(yīng)力分布區(qū)域增大，頂煤中的應(yīng)力值小于巷道底板中的應(yīng)力值，頂煤與頂板巖層存在明顯的交界面?？傮w來(lái)看，掘進(jìn)期間，頂煤厚度在10 m 以內(nèi)時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力分布與頂煤厚度有較大關(guān)系，隨著頂煤厚度的增加，頂煤中應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)大，應(yīng)力值 巷道布置位置對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響 5105 回風(fēng)巷以一定寬度的煤柱與上一個(gè)工作面的采空區(qū)隔開(kāi)。煤柱寬度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布產(chǎn)生顯著影響，如圖2 所示。當(dāng)煤柱寬度為10，20 m 時(shí)，巷道掘進(jìn)時(shí)兩幫產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)與工作面回采后在煤柱中產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)相互疊加( 圖2 ( a) ，( b) ) ，煤柱中最大應(yīng)力值達(dá)33 MPa。當(dāng)煤柱寬度增加到30 m 時(shí)，巷道掘進(jìn)時(shí)在圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)與相鄰工作面回采在煤柱中引起的應(yīng)力集中區(qū)開(kāi)始相互分離，但仍對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布產(chǎn)生一定的影響( 圖2 ( c) ) ，煤柱一側(cè)巷幫最大壓應(yīng)力值約為30 MPa。隨著煤柱寬度進(jìn)一步增加，巷道受相鄰工作面采動(dòng)應(yīng)力影響明顯減弱，巷道掘進(jìn)在圍巖中形成的應(yīng)力集中區(qū)與工作面回采形成的應(yīng)力集中區(qū)基本分離( 圖2 ( d ) ) ，巷道圍巖最大壓應(yīng)力減小至27 MPa?？傮w來(lái)看，全煤巷道所在煤層由于厚度較大，巷道掘進(jìn)與相鄰工作面回采后在煤柱中形成的應(yīng)力集中區(qū)與中厚煤層或薄煤層不同，煤柱中的應(yīng)力不再是標(biāo)準(zhǔn)的“拱型”或“駝峰型”分布，而是呈現(xiàn)近似三角形的分布特征。 全煤巷道在垂直方向主要有兩種布置方式，一種是沿底板布置，另一種是沿頂板布置，二者應(yīng)力分布情況存在較大差異( 圖3) 。巷道沿底板布置時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)主要分布于巷道底板兩個(gè)角處，最大應(yīng)力值達(dá)到22 MPa。巷道頂煤中最大應(yīng)力約為18 MPa。巷道沿頂板布置時(shí)，巷道圍巖受力狀態(tài)正好與沿底板降低; 隨著頂煤厚度的繼續(xù)增加，圍巖應(yīng)力分布變化變得不明顯。布置相反，應(yīng)力集中區(qū)主要分布于巷道頂板兩個(gè)角處，最大應(yīng)力值也為22 MPa。巷道底板煤體中最大應(yīng)力也在18 MPa 左右。由于兩種布置方式應(yīng)力場(chǎng)分布不同，在巷道支護(hù)時(shí)應(yīng)采取不同的圍巖控制措施。巷道沿底板布置時(shí)，除對(duì)頂煤支護(hù)外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)巷道兩幫的支護(hù); 巷道沿頂板布置時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)頂板兩角處的支護(hù)，同時(shí)采取措施防止或減少底臌的發(fā)生。 巷道高寬比對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響不同巷道高寬比時(shí)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布如圖4 所示。相同巷道高度下，巷道越寬，頂煤應(yīng)力集中程度越高，頂煤中應(yīng)力集中區(qū)分布范圍越大，應(yīng)力集中系數(shù)越高。巷道高寬比為1 時(shí)，頂煤中最大壓應(yīng)力約為12 MPa; 巷道高寬比為0. 75 時(shí)，頂煤中最大壓應(yīng)力約為16 MPa; 巷道高寬比為0. 5 時(shí)，頂煤中最大壓應(yīng)力也為16 MPa，但壓應(yīng)力集中區(qū)范圍明顯增加。不同巷道高寬比時(shí)，巷道掘進(jìn)在底板中形成的應(yīng)力分布存在較大差別，高寬比為1 時(shí)，底板應(yīng)力集中區(qū)呈現(xiàn)“倒拱形”分布; 高寬比為0. 75 時(shí)，底板應(yīng)力區(qū)分布呈現(xiàn)“倒駝峰”形分布; 高寬比為0. 5 時(shí)，底板應(yīng)力集中區(qū)呈現(xiàn)不規(guī)則分布，但分布范圍明顯擴(kuò)大。 從底板最大應(yīng)力值來(lái)看，隨著寬度的增加，最大應(yīng)力值有下降的趨勢(shì)。地應(yīng)力對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響不同地應(yīng)力組合條件下巷道圍巖應(yīng)力分布如圖5 所示。當(dāng)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相同時(shí)，頂煤和巷幫煤體中壓應(yīng)力基本相同，應(yīng)力值相對(duì)較低，約為15 MPa; 應(yīng)力較高區(qū)域主要分布在強(qiáng)度較高的巷道底板中，最大應(yīng)力值約為21 MPa。水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力2 倍時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)主要集中于巷道頂煤和底板巖體中，尤其巷道底板由于強(qiáng)度較高，其應(yīng)力值和應(yīng)力集中區(qū)域明顯大于頂煤，最大壓應(yīng)力值達(dá)到33 MPa。當(dāng)垂直應(yīng)力為水平應(yīng)力 2 倍時(shí)，巷道圍巖最大壓應(yīng)力值約為30 MPa，應(yīng)力集中區(qū)呈圓弧形對(duì)稱分布于巷道兩幫。 5.2錨索支護(hù)作用的數(shù)值模擬 5.2.1模擬方法與方案 為了清晰地分析錨桿與錨索在巷道圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，在不考慮原巖應(yīng)力的條件下，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。 錨桿、錨索采用cable 結(jié)構(gòu)單元模擬，錨桿彈性模量為200 GPa，屈服強(qiáng)度600 MPa，抗拉強(qiáng)度800 MPa，長(zhǎng)度為2. 4 m，直徑為22 mm; 錨索彈性模量為195 GPa，長(zhǎng)度為8. 3 m，直徑為22 mm，破斷力為600 kN。 分析錨桿、錨索不同預(yù)緊力在煤體中的應(yīng)力分布。錨索預(yù)應(yīng)力為100，150，200 kN; 錨桿預(yù)緊力分別為60，80，100 kN 5.2.2模擬結(jié)果分析 圍巖錨固區(qū)內(nèi)壓應(yīng)力值的提高和壓應(yīng)力區(qū)的范圍擴(kuò)大，是支護(hù)效果得以提高的關(guān)鍵。不同錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力組合方案下圍巖應(yīng)力分布如圖6 所示。圖6( a) 顯示錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)中( 錨索預(yù)緊力為100 kN) ，錨桿預(yù)緊力為60 kN 時(shí)，錨桿錨固區(qū)內(nèi)能形成一定范圍的壓應(yīng)力疊加區(qū)域，但不能覆蓋頂板和兩幫煤體錨桿之間的部分。錨桿附近煤體中形成的最大壓應(yīng)力值約為0. 55 MPa，錨桿之間部分壓應(yīng)力值約為0. 25 MPa。當(dāng)錨桿預(yù)緊力為80 kN 時(shí)，巷道頂部和兩幫錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散范圍增大，在頂煤中的擴(kuò)散區(qū)域基本能連成一個(gè)整體，但巷幫錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍仍較小，無(wú)法覆蓋整個(gè)煤幫。頂煤與巷幫煤體錨桿之間部分壓應(yīng)力值增加至0. 4 MPa 左右。錨桿預(yù)緊力增大至100 kN 時(shí)，巷道頂部和兩幫錨桿錨固范圍內(nèi)錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散效果良好，基本覆蓋整個(gè)錨固范圍，錨桿之間煤體中壓應(yīng)力值增大至0. 5 MPa 左右。由于錨索預(yù)緊力較低，錨索預(yù)緊力無(wú)法擴(kuò)散到錨索錨固范圍，錨索預(yù)緊力與錨桿預(yù)緊力疊加效果不明顯。 與圖6( a) 對(duì)比，圖6( b) 中錨索預(yù)緊力增加到150 kN，頂煤中沿錨索長(zhǎng)度方向和垂直于錨索方向的整個(gè)范圍預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍明顯增加。從錨桿與錨索預(yù)緊力在煤體中形成的壓應(yīng)力值來(lái)看，受錨索預(yù)緊力提高及錨桿與錨索預(yù)緊力疊加的影響，錨索附近部分煤體中最大壓應(yīng)力達(dá)到0. 88 MPa。當(dāng)錨桿預(yù)緊力為60， 80 kN 時(shí)，錨索與錨桿在頂煤中形成的壓應(yīng)力值分布不平衡，距離錨索較遠(yuǎn)的兩根錨桿之間壓應(yīng)力值為0. 48 MPa。當(dāng)錨桿預(yù)緊力達(dá)到100 kN 時(shí)，錨索與錨桿預(yù)緊力在頂煤中的擴(kuò)散效果得到一定程度改善，距離錨索較遠(yuǎn)的兩根錨桿之間壓應(yīng)力值為0. 64 MPa。 從圖6 ( c) 中看出: 錨索預(yù)緊力增大至200 kN時(shí)，錨索預(yù)緊力起主要作用，預(yù)緊力擴(kuò)散范圍基本覆蓋了整個(gè)錨索錨固區(qū)域，煤體中所形成的壓應(yīng)力最大為1. 1 MPa。錨桿預(yù)緊力主要影響煤體中的壓應(yīng)力分布范圍，隨著錨桿預(yù)緊力增大，煤體中形成的壓應(yīng)力擴(kuò)散范圍和壓應(yīng)力值顯著增加。 圖7 為錨桿預(yù)緊力100 kN，錨索預(yù)緊力150 kN時(shí)，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)在巷道表面形成的壓應(yīng)力場(chǎng)分布情況。錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)在巷道表面形成的壓應(yīng)力區(qū)相互連接，相互疊加。錨桿托板處頂煤壓應(yīng)力值達(dá)到2. 8 MPa，錨索托板處頂煤最大壓應(yīng)力達(dá)到了7. 7 MPa，錨桿與錨索的預(yù)緊力基本擴(kuò)散到整個(gè)頂煤表面，形成了有效的壓應(yīng)力區(qū)，改善了巷道圍巖的受力狀態(tài)。 井下試驗(yàn)與支護(hù)效果分析在塔山礦8105 工作面5105 回風(fēng)巷全煤巷道進(jìn)行了高強(qiáng)度、強(qiáng)力錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)井下試驗(yàn)，并進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)與支護(hù)效果分析。 錨桿與錨索支護(hù)設(shè)計(jì) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合已有的經(jīng)驗(yàn)，確定塔山礦8105 工作面5105 回風(fēng)巷采用高強(qiáng)度、強(qiáng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方法。頂板錨桿為BHRB600 型、22 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，長(zhǎng)度2. 4 m，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力矩為400 N·m。錨桿間排距為800 mm×800 mm，每排7根。采用W 鋼帶和菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂。錨索材料選用22 mm、1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度8 300 mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固。每?jī)膳佩^桿布置3 根錨索，間距2 000 mm，排距1 600 mm，錨索預(yù)緊力為150 kN。錨桿與錨索全部垂直巷道表面布置。兩幫采用錨桿支護(hù)，錨桿桿體材料、直徑、長(zhǎng)度、錨固長(zhǎng)度及預(yù)緊力矩均與頂板相同。錨桿間距為1 000 mm，排距為800 mm，每排每幫布置4 根。采用W 鋼護(hù)板和高強(qiáng)度塑料網(wǎng)護(hù)幫。 支護(hù)效果分析 在5105 回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，對(duì)圍巖表面位移變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8 所示。掘進(jìn)期間巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明: 距掘進(jìn)工作面40 m 范圍內(nèi)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰圃黾虞^快;之后，圍巖位移逐漸減緩。距掘進(jìn)工作面70 m 后，巷道位移基本保持穩(wěn)定。此時(shí)兩幫移近量為20 mm; 頂?shù)装逡平繛?2 mm。掘進(jìn)期間巷道支護(hù)效果如圖9 所示?？傮w上看，掘進(jìn)期間巷道變形量小，支護(hù)效果良好。 工作面回采期間，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?52 mm，兩幫最大移近量為405 mm。兩次采動(dòng)影響后，巷道斷面有效面積為初始設(shè)計(jì)面積的86. 7%，完全能滿足安全生產(chǎn)的要求。 6術(shù)要求及更換支護(hù)的技術(shù)要求 6.1 錨桿、錨索施工技術(shù)要求 小梁溝煤礦支護(hù)改革巷道的大部分地段使用的錨索是由低松弛鋼絞線制成，其延伸率只有3． 5%，而錨桿的延伸率在20% 左右。相比而言，錨索的剛性較大，如何做到二者之間的協(xié)調(diào)，正確的設(shè)計(jì)錨索的預(yù)緊力十分重要。如錨索的預(yù)緊力過(guò)大，則巷道圍巖的變形全部由錨索支撐，如錨索的預(yù)緊力過(guò)小，則錨索的懸吊作用不明顯，一旦錨桿不能有效的支撐圍巖，則圍巖的過(guò)大變形不可避免。因此，應(yīng)將錨索預(yù)緊力設(shè)計(jì)與錨桿的受力相適應(yīng)，在實(shí)踐過(guò)程中，頂板錨桿錨固力在150kN，設(shè)計(jì)錨索的預(yù)緊力為120 ～ 150kN 較為合適。 ( 1) 錨桿鉆孔位置與設(shè)計(jì)誤差不超過(guò)± 50mm; ( 2) 頂錨桿鉆孔深度小于錨桿長(zhǎng)度0． 1m; ( 3) 錨桿鉆孔角度與設(shè)計(jì)角度誤差小于± 5°; ( 4) 頂板鉆孔中先放入一支超快速藥卷，再放入一支快速藥卷，用螺紋鋼錨桿將其送入孔底，開(kāi)機(jī)后邊攪拌邊推進(jìn)，直到錨桿接觸孔底再轉(zhuǎn)機(jī)10s 為止。 ( 5) 幫錨桿孔中放一支超快速樹(shù)脂藥卷，再放入一支快速藥卷，用錨桿將其推入孔底后開(kāi)動(dòng)煤電鉆，邊攪拌邊推進(jìn)，直至錨桿接觸孔底再轉(zhuǎn)動(dòng)15s 為止。 ( 6) 頂錨桿螺母預(yù)緊力矩不得低于120N·m，幫錨桿的螺母扭緊力矩不得小于60N·m。 ( 7) 護(hù)網(wǎng)必須拉緊，使之緊貼巷道表面; 金屬網(wǎng)搭接長(zhǎng)度200mm，搭接段每200mm 用12 號(hào)鐵絲綁扎。 ( 8) 錨索支護(hù)必須緊跟錨桿支護(hù)后面進(jìn)行，距錨桿支護(hù)的距離最大不得超過(guò)4m; 每根錨索必須用張拉設(shè)備安裝，錨索的預(yù)緊力不小于150kN。 4． 2 更換巷道支護(hù)的安全要求 小梁溝煤礦巷道服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，巷道離層非常嚴(yán)重，在施工之前要制定相應(yīng)的技術(shù)措施，保證施工安全。 ( 1) 更換支護(hù)時(shí)，必須保證有在發(fā)生冒頂、堵塞巷道時(shí)人員能撤退的出口; ( 2) 更換巷道支護(hù)時(shí)，必須由外向里逐架進(jìn)行，嚴(yán)禁人員進(jìn)入更換地點(diǎn)以里。 ( 3) 撤掉原有支架前，應(yīng)先加固工作地點(diǎn)的支架。 ( 4) 更換支架的工作要連續(xù)進(jìn)行，不連續(xù)進(jìn)行時(shí)，每次工作結(jié)束前，必須接頂封幫，確保安全。 7結(jié)論 ( 1) 掘進(jìn)期間，全煤巷道頂煤厚度在10 m 以內(nèi)時(shí)，隨著頂煤厚度的增加，頂煤中應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)大，應(yīng)力值降低; 頂煤厚度超過(guò)10 m 時(shí)，隨著頂煤厚度的繼續(xù)增加，圍巖應(yīng)力分布變化不明顯。 ( 2) 全煤巷道所在煤層由于厚度較大，巷道掘進(jìn)與相鄰工作面回采后在煤柱中形成的應(yīng)力集中區(qū)與中厚煤層或薄煤層不同，煤柱中的應(yīng)力不再是標(biāo)準(zhǔn)的“拱型”或“駝峰型”分布，而是呈近似“三角形”的分布特征。 ( 3) 相同巷道高度下，巷道越寬，頂煤應(yīng)力集中程度越高，頂煤中應(yīng)力集中區(qū)分布范圍越大，應(yīng)力集中系數(shù)越高; 但隨著巷道寬度的增加底板巖體中應(yīng)力值卻存在降低的現(xiàn)象。 ( 4) 錨桿、錨索預(yù)緊力對(duì)改善全煤巷道圍巖受力狀態(tài)起關(guān)鍵作用。合理的錨桿、錨索預(yù)緊力應(yīng)在錨固區(qū)內(nèi)形成相互連接、相互疊加的有效壓應(yīng)力區(qū)。 ( 5) 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)有效控制了塔山礦全煤巷道圍巖強(qiáng)烈變形，為全煤巷道提供了可靠的支護(hù)方式。 (6)提出了錨桿- 錨索聯(lián)合支護(hù)的預(yù)應(yīng)力協(xié)調(diào) 性問(wèn)題。采用數(shù)值模擬的方法,計(jì)算分析了不同錨桿預(yù)緊力矩和錨索預(yù)緊力組合情況下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布特征與規(guī)律。 (7)預(yù)應(yīng)力錨桿- 錨索聯(lián)合支護(hù)在支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)形成了相互連接、相互疊加的有效壓應(yīng)力區(qū),且隨著錨桿、錨索預(yù)緊力的增加,壓應(yīng)力區(qū)的值和范圍均不同程度的增加。 (8)隨著錨桿預(yù)緊力矩的增加,錨桿端部的拉應(yīng)力值和范圍都不斷增加,可以通過(guò)施加錨索預(yù)緊力來(lái)平衡錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū),且錨桿預(yù)緊力矩越大,平衡其端部拉應(yīng)力區(qū)所需的錨索預(yù)緊力越大。 (9)錨桿預(yù)緊力矩大于400 N ·m,錨索預(yù)緊力大于300 kN后,其對(duì)聯(lián)合支護(hù)區(qū)壓應(yīng)力值及范圍的擴(kuò)展作用不再明顯,因此進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿- 錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí),錨桿預(yù)緊力矩選擇在300～400 N·m之間,同時(shí)錨索的預(yù)緊力選擇在200～300 kN之間比較合理。在淮南謝一礦進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)井下試驗(yàn),試驗(yàn)表明,合理的預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)可以顯著控制圍巖變形。 參考文獻(xiàn): [ 1 ] 　趙長(zhǎng)海. 預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)[M ]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社,2002. 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