不同锚杆预应力对煤矿井巷支护效果的影响研究

2021-04-08高云龙

机械管理开发 2021年2期

高云龙

（山西乡宁焦煤集团惠源焦煤有限公司，山西乡宁 042100）

引言

煤矿巷道支护效果是保证工作面安全、高效生产的基础。锚杆支护作为当前煤矿巷道支护的主流手段之一，能够实现对巷道围岩进行加固，提升巷道整体的强度，进而对工作面巷道在水平或者垂直方向上的位移进行限制的作用。随着锚杆支护理论及应用实践经验的积累，对锚杆施加一定的预应力可改善其支护效果，并实现对工作面巷道围岩的主动支护，避免顶板发生下沉两帮发生片帮事故[1]，而合理确定预应力锚杆的预应力值是发挥其支护效果的关键。本文将对不同锚杆预应力对煤矿井巷支护效应进行研究。

1 工程概况

本文以中煤集团下属的柳林煤矿为例开展相关研究，该煤矿目前可供开采的煤层包括有2 号、3号、4 号等7 个煤层。其中，本文以2 号煤层所属工作面为例对锚杆预应力对煤矿井巷的支护效应进行研究。2 号煤层对应的煤层倾角较小，且对应煤层平均厚度为3.5 m。该煤层所属巷道的形状为矩形，对应巷道宽度为4.1 m，巷道高度为3.5 m。本文研究的重点为预应力锚杆对巷道顶板及两帮的支护效果，故需掌握2 号煤层工作面的顶板特性，如表1 所示。

2 不同锚杆预应力支护效果分析

为验证不同锚杆预应力值对巷道支护效果的影响，本节将对锚杆预应力值为0、50 kN、100 kN、200 kN 等四种预应力锚杆在工作面巷道围岩所产生的应力值进行模拟分析，所采用数值模拟软件为MIDAS GTS。根据2 号煤层工作面巷道断面的尺寸，所建立数值模模型的长度为45 m、宽度为40 m，其中对应巷道的宽度为4.1 m、高度为3.5 m。模型中对应巷道顶板所采用支护锚杆的参数如下：顶板锚杆直径为20 mm，锚杆长度为2 m，每排锚杆与锚杆之间的间距为0.9 m，锚杆排之间的间距为1 m；两帮锚杆直径为20 mm，锚杆长度为2 m，每排锚杆与锚杆之间的间距为0.9 m，锚杆排之间的间距为1 m。此外，顶板和两帮锚杆的类型均为左旋螺纹钢锚杆。

表1 2 号煤层工作面顶板岩层参数

2.1 不同锚杆预应力下巷道围岩应力场的分布

不同预应力锚杆在支护过程中对工作面巷道围岩所产生的应力场不同，本节对不同锚杆预应力（0、50 kN、100 kN、200 kN）在工作面巷道支护中所产生的应力场进行逐一分析，当采用普通锚杆支护时，即锚杆预应力值为0 时在巷道围岩所产生应力场的值为0[2]，故本节注重对预应力值为50 kN、100 kN 和200 kN 的情况进行分析，所得到的数值模拟结果如下页图1 所示。

如图1 所示，当锚杆预应力值小于100 kN 时，随着预应力的增大对应巷道围岩所生成的承压带的强度和厚度均会明显增加，但当锚杆预应力值大于100 kN 后，随着锚杆预应力值的增大对应锚杆巷道围岩所生成的承压带的强度和厚度的变化不明显[3]。此外，在预应力锚杆的作用下，工作面巷道围岩所承受以压应力为主，对提升巷道围岩的承载能力具有重要意义。

2.2 不同锚杆预应力下X、Z 方向原岩应力场的变化

第2.1 节中着重对不同预应力值对工作面巷道围岩的应力场变化进行逐一分析，本节将对预应力值分别为 0、50 kN、100 kN 以及 200 kN 下对应的巷道在X 方向原岩应力场的变化进行逐一分析，数值模拟仿真结果如图2 所示。

图1 不同预应力锚杆对应巷道围岩应力场分布模拟结果

如图2 所示，当工作面巷道开始进行开采后X方向的原岩应力场重新处于平衡状态，而且在工作面巷道相对较浅的位置，其对应围岩的承载能力较差；巷道位置越深的部位，对应围岩的承载能力越强[4]。此外，随着锚杆预应力值的增加不论是巷道浅部还是在巷道深度所对应的破坏程度均在减弱。

同理，对不同预应力锚杆对Z 方向原岩应力场的变化进行逐一分析。经仿真分析可知，在锚杆支护的作用下，工作面巷道顶板的应力场值大于巷道底板的应力场值；而且，随着锚杆预应力值的增加对应巷道顶板和底板的应力集中位置不断向巷道深部转移。

2.3 不同锚杆预应力下巷道围岩塑性变形区域分析

本节将对预应力值分别为0、50 kN、100 kN 以及200 kN 下对应的巷道围岩的塑性变形区域的变化进行逐一分析，数值模拟仿真结果如下页图3 所示。

图2 不同预应力对应X 方向原岩应力场变化分析

如图3 所示，随着锚杆预应力值的增加，对应巷道的塑性变形区域越小，而且，若在巷道开采初期就采用预应力锚杆支护，可有效控制巷道塑性变形区域的扩展。与此同时，随着锚杆预应力值的增加，工作面巷道的承载能力得到提升，对应巷道的拉伸破坏区域和剪切破坏均在适当减小。

经本节对不同预应力锚杆支护对工作面巷道围岩应力场分布、X 方向上原岩层应力场变化、Z 方向原岩应力场变化以及对巷道围岩的塑性变形区域等影响进行逐一分析发现，随着锚杆预应力值的增加巷道的应力集中位置向其深部转移，且巷道整体的承载能力均在提升；但是，对于巷道承压带的强度和厚度而言，当锚杆预应力值小于100 kN 时其增加幅度明显，当锚杆预应力值大于100 kN 时其变化不明显。因此，综合考虑现场施工的难易程度和成本控制，一般将锚杆预应力值控制在100 kN 以下即可。

图3 不同预应力对应巷道围岩的塑性变形区域的变化

3 预应力锚杆支护的工程应用效果分析

根据表1 中所列出的2 号煤层顶板各类岩层的参数特性，结合相关理论计算公式得出2 号煤层工作面的理论锚杆支护预应力最小值为41.56 kN。故，将2 号煤层工作面所采用锚杆支护的预应力值设定为42 kN，其对应顶板和两帮锚杆的参数如下：锚杆直径为20 mm，锚杆长度为2 m，每排锚杆与锚杆之间的间距为0.9 m，锚杆排之间的间距为1 m。同时，顶板和两帮的锚杆均采用树脂进行锚杆。

本节将对上述预应力锚杆支护和普通锚杆支护下对巷道两帮和顶板的围岩控制效果进行对比，对比结果如表2 所示。