錢營孜煤礦1.8 Mta新井設計含5張CAD圖.zip

錢營孜煤礦1.8 Mta新井設計含5張CAD圖.zip,錢營孜煤礦1.8,Mta新井設計含5張CAD圖,錢營孜,煤礦,1.8,Mta,設計,CAD 煤巷中錨桿、錨索支護作用機理 摘　要:在分析目前錨桿、錨索聯(lián)合支護條件下施加預緊力時存在問題的基礎上,提出了錨桿、錨索聯(lián)合支護的預應力協(xié)調問題,并采用有限差分數(shù)值計算軟件FLAC3D對錨桿(索)施加不同組合預緊力時圍巖產(chǎn)生的應力場分布特征與規(guī)律進行了模擬分析。結果表明:預應力錨桿、錨索聯(lián)合支護可以在巷道圍巖錨固結構中形成相互連接、相互疊加的有效壓應力區(qū),隨著錨桿(索)預應力的增加,壓應力區(qū)的值和范圍也相應地增加;錨桿端部的拉應力值和范圍隨錨桿預緊力矩的增加而增大,這種情況可以通過施加錨索預緊力進行平衡,錨桿預緊力矩越大,平衡其端部拉應力區(qū)所需的錨索預緊力越大;結合工程施工現(xiàn)狀,合理的錨桿預緊力矩選擇在300～400 N·m,錨索預緊力為200～300 kN比較合理。井下試驗表明,合理預應力組合的錨桿錨索聯(lián)合支護系統(tǒng)可以有效控制圍巖變形。 關鍵詞:煤巷;錨桿、錨索;協(xié)調作用;應力場 0引言 我國自20世紀80年代引進煤巷錨桿支護技術以來,經(jīng)過消化、吸收,目前煤巷錨桿支護技術已經(jīng)得到了大面積的推廣應用,特別是1996年我國煤礦成功研制了小孔徑樹脂錨固預應力錨索之后,錨桿- 錨索聯(lián)合支護技術在煤巷中得到了極大地推廣應用,提高了巷道支護的安全性和可靠性,有效解決了深部及復雜困難巷道的支護難題。因此,進行預應力錨桿-錨索聯(lián)合支護對巷道圍巖加固作用的研究具有很重要的意義。 1　錨桿(索)預應力的重要作用 預應力是錨桿支護的重要參數(shù),無預應力錨桿支護如同砌碹支護、架棚支護等屬于被動支護,而預應力錨桿支護屬于主動支護。錨桿(索)預應力的重要性,在巖土工程中已經(jīng)得到廣泛的認可與應用,在隧道、邊坡、基坑加固和水利水電等工程中,預應力錨桿(索)應用都很普遍[ 1 - 2 ] 。如三峽永久船閘邊坡錨索的預拉力值高達3 000 kN[ 3 ] ;混凝土重力壩閘墩加固采用拉力值為980～1 900 kN 預應力錨索[ 4 - 5 ] ?；蛹庸痰臄?shù)值模擬研究表明,提高錨索的預應力,可有效減少塑性區(qū)[ 6 ] 。 目前, 美國煤礦巷道的錨桿預緊力一般為100 kN,可以達到錨桿桿體屈服載荷的50% ～75% ,并且美國早在20世紀70年代末就首次將漲殼式頭與樹脂錨固劑聯(lián)合使用,并采用減摩塑料墊圈實現(xiàn)了錨桿的高預應力。高預應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。美國礦山支護效果顯著的原因,很大程度上是其對錨桿預應力機理的深刻認識[ 7 ] 。我國學者對錨桿(索)預應力的作用也有一定的研究。文獻[ 8 ]的研究結果表明,當錨桿預應力達到60～70 kN時,就可以有效控制巷道頂板下沉;文獻[ 9 ]提出基于水平地應力的“剛性梁”結構,認為當錨桿預應力達到一定程度時,可使錨桿長度范圍內和長度以上的頂板離層消除;文獻[ 10 ]也對錨桿預應力的作用進行了一定的研究。在小孔徑預應力錨索應用研究方面,文獻[ 11 - 13 ]進行了一系列的研究和應用,取得了良好的效果,錨索可以施加較大的預應力,抑制圍巖的離層、滑動等有害變形。 總體來說,結合現(xiàn)場應用情況,我國煤礦對錨桿(索)預應力作用的認識不足,遇到難支護巷道,往往通過增加錨桿(索)的支護密度來提高支護效果,導致錨桿支護密度過大,支護系統(tǒng)的作用不能充分發(fā)揮,而且嚴重影響巷道的施工速度。針對上述問題,煤炭科學研究總院開采設計分院巷道所立足于實踐,在錨桿、錨索預應力支護系統(tǒng)的作用方面從理論、技術和實踐方面做了大量的研究[ 14 - 18 ] 。文獻[ 15 ]采用數(shù)值模擬計算的方法詳細分析了不同預應力下錨桿、錨索產(chǎn)生的應力場的分布特征,以及鋼帶對錨桿預應力擴散的作用;文獻[ 16 ]詳細分析了錨索預應力的分布特征及其傳力機制;文獻[ 19 ]提出了支護應力場的概念,分析了錨桿、單體支柱等主動支護方式的預應力場及構件內應力場的特征,并對原巖應力場、采動應力場和支護應力場的相互作用進行了說明。大量的井下試驗也表明[ 13, 17 - 18, 20 ] ,錨桿預應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煤礦對預應力的認識,極大地提高了錨桿預應力支護的技術水平,促進了預應力錨桿(索)支護技術在我國的發(fā)展。 目前,對錨桿、錨索支護預應力場的研究,只是分析了不同預緊力對錨桿、錨索預應力場分布特征的影響,并沒有研究錨桿、錨索聯(lián)合支護時,各自施加預緊力大小的協(xié)調性問題,如果錨桿、錨索的預緊力大小不協(xié)調,就可能會出現(xiàn)支護系統(tǒng)不合理,甚至導致部分支護構件失效的危險。因此,本文采用數(shù)值模擬的方法,探討錨桿、錨索聯(lián)合支護時其預應力的協(xié)調關系。 2　數(shù)值模擬模型 為了清晰地反映出錨桿- 錨索預應力聯(lián)合支護產(chǎn)生的應力場,在不考慮原巖應力場的條件下,采用有限差分數(shù)值模擬軟件FLAC3D模擬分析了錨桿與錨索預應力引起的應力場分布特征。 2.1　模型的建立 本數(shù)值計算錨固體采用FLAC3D建立三維數(shù)值模型,模型尺寸為長×寬×高= 1510 m ×210 m ×1810m,巷道寬×高= 510 m ×310 m,共劃分60 750個單元。巷道頂板為泥巖,底板為砂質泥巖,巷道圍巖的物理力學參數(shù)見表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,長度為214 m,屈服載荷為190 kN,拉斷載荷為254 kN,加長錨固,錨固長度為110 m; 錨索彈性模量為195 GPa, 直徑為22 mm,長度為610 m,拉斷載荷為600 kN,錨固長度為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、錨索預緊力施加的協(xié)調性問題。錨桿預緊力矩劃分為200、300、400和500 N·m四個水平,其對應的錨桿預緊力分別為60、80、107和134 kN[ 21 ] 。錨索預緊力分別為100、200 和300 kN三個水平。按照正交試驗設計方法[ 22 ]進行組合,見表2。 3　預應力錨桿- 錨索聯(lián)合支護的應力場分布特征 　　巖石的破壞主要有拉破壞和剪破壞兩種形式,采用錨桿錨索支護圍巖的實質是通過錨桿(索)的預緊力對圍巖施加一定的壓應力,消除圍巖開挖卸荷造成的拉應力和剪應力集中,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)內壓應力區(qū)的連續(xù)和范圍擴大,是錨固效果得以提高的關鍵。 按照表2的錨桿- 錨索預緊力施加組合方案進行數(shù)值模擬,模擬結果如圖2所示。從圖2 ( a)中看出,錨桿、錨索預緊力聯(lián)合作用在錨桿和錨索組成的骨架結構中形成了有效連續(xù)的壓應力區(qū),壓應力區(qū)的壓應力值一般在40 kPa左右;隨錨索預緊力的增加,巷道表面的最大壓應力從240 kPa增加到800 kPa,并且錨索預緊力的增加明顯減小了錨桿端部的拉應力作用范圍,當錨索預緊力達到300 kN時,錨桿端部的拉應力作用范圍幾乎消除。 從圖2 ( b)中看出,與圖2 ( a)相比,錨桿端部的拉應力值和作用范圍均有所增加,巷道表面的壓應力值也相應增加?？傮w來說,聯(lián)合支護結構中形成了有效連續(xù)的壓應力區(qū),壓應力區(qū)的壓應力值一般在80kPa左右;隨著錨索預緊力的增加,巷道表面的最大壓應力從280 kPa增加到800 kPa,錨索預緊力的增加明顯減小了錨桿端部的拉應力作用范圍。 從圖2 ( c)中看出,與圖2 ( a) 、( b)相比,錨桿端部的拉應力值和作用范圍又有所增加,巷道表面的壓應力值也相應增加。聯(lián)合支護結構中形成了有效連續(xù)的壓應力區(qū),其壓應力值一般在100 kPa左右;隨著錨索預緊力的增加, 巷道表面的最大壓應力從350 kPa增加到800 kPa,錨索預緊力的增加明顯減小了錨桿端部的拉應力作用范圍,但與前兩組組合相比,減小的幅度較小,即隨著錨桿預緊力矩的增加,需要更大的錨索預緊力來平衡錨桿端部的拉應力。 圖2 ( d)與圖2 ( c)反映的應力值大小和作用范圍相差不大,壓應力區(qū)的壓應力值一般在100 kPa左右;但可以明顯看出錨桿預緊力在錨桿端部形成的拉應力區(qū)較大,需要錨索提供更大的預緊力來進行平衡,錨索預緊力在200 kN時還不足以平衡錨桿端部的拉應力區(qū),達到300 kN時才能有效平衡拉應力區(qū)。 綜合圖2中4組數(shù)值模擬圖片,可以看出錨桿、錨索預緊力的施加在巷道圍巖表面及內部形成了大小不等的壓應力區(qū),隨著錨桿預緊力的增加,其所形成的壓應力值和范圍也在不斷擴大,但當錨桿預緊力達到400 N·m后,再增加錨桿預緊力對壓應力值和范圍的增加效果不明顯;錨桿、錨索的端部隨著預緊力的施加出現(xiàn)了大小不等的拉應力區(qū),且其預緊力越大,拉應力的值和范圍越大;錨桿端部的拉應力區(qū)可以通過增加錨索的預緊力來進行平衡,錨桿的預緊力越大,相應的需要錨索也要提供更大的預緊力,才能保證錨桿、錨索聯(lián)合支護結構中壓應力區(qū)的連續(xù)性;由圖2可以看出,錨桿的預緊力矩大于300 N·m,且錨索預緊力大于200 kN時,聯(lián)合支護區(qū)域所形成的壓應力值的大小和范圍的連續(xù)性才具有支護意義,但是錨桿預緊力矩大于400 N ·m,錨索預緊力大于300 kN后,其對聯(lián)合支護區(qū)壓應力值及范圍的擴展作用不明顯,因此,綜合考慮支護效果和施工的難度及進度,建議進行預應力錨桿- 錨索聯(lián)合支護時,錨桿的預緊力矩設定在300～_______400 N ·m之間,同時錨索的預緊力設定在200～300 kN之間比較合理。 4　現(xiàn)場實踐 預應力錨桿錨索支護試驗選擇在淮南謝一礦5121B10工作面回風巷進行,頂板錨桿直徑22 mm,長度2 400 mm,間排距為900 mm ×1 000 mm,每排6根,樹脂加長錨固,錨桿預緊力矩設計為500 N ·m;錨索采用<22 mm, 1 ×19股高強度低松弛預應力鋼絞線,長度6 300 mm,配合300 mm ×300 mm ×16 mm高強度拱形可調心托板,每排2根錨索,間距1 800 mm,沿巷道中間對稱布置,排距1 600 mm,預緊力300 kN。施工過程中,由于機械和現(xiàn)場條件的限制,錨桿預緊力矩在400～500 N·m之間,錨索預緊力基本達到了300 kN,由于現(xiàn)場條件與實驗室條件的差別,現(xiàn)場錨桿預緊力矩轉化為預緊力的數(shù)值要比實驗室結果小[ 21 ] ,錨索張拉過程中也存在一定的預緊力損失[ 23 ] 。巷道施工過程中,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。錨桿安裝后,其預緊力從53～73 kN不等,平均為62 kN,隨著推進距離增加,其受力逐漸增長,最終受力平均為74 kN; 錨索安裝初期其預緊力平均為240 kN,隨工作面推進,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緊力協(xié)調范圍之內。掘進期間巷道變形觀測曲線如圖4所示。 掘進期間,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;從控制效果來說,整個巷道變形量較小,巷道的穩(wěn)定性得到控制。采用新型預應力錨桿支護系統(tǒng)之前,該巷道也曾使用普通錨桿支護系統(tǒng),其錨桿預緊力矩80 N·m,錨索預緊力為150 kN,巷道變形量非常大,新型支護前后支護效果對比如圖5所示。 5巷道錨桿錨索聯(lián)合支護機理與效果分析 以同煤大唐塔山煤礦全煤巷道為例，采用有限差分數(shù)值計算軟件FLAC3D，對不同頂煤厚度、不同巷道布置位置、不同巷道高寬比、不同地應力大小、不同錨桿錨索預緊力等情況下巷道圍巖受力與變形特征進行了研究。結果表明: 頂煤厚度在10 m 以內時，隨著頂煤厚度增加，應力集中區(qū)范圍擴大，應力值降低; 巷道掘進與相鄰工作面回采后在煤柱中形成的應力集中區(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，頂煤應力集中程度增加，底板巖體中應力值卻降低; 煤巖體強度越高，圍巖應力值越大; 錨桿錨索聯(lián)合支護時，錨桿與錨索施加的預緊力應在錨固結構中形成相互連接、相互疊加的壓應力區(qū)。井下試驗表明，強力錨桿與錨索聯(lián)合支護有效控制了巷道圍巖變形，為全煤巷道提供了有效的支護手段。 在我國煤炭資源總儲量中，厚煤層占45% 以上。近幾年，隨著我國高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展，厚煤層一次采全高、綜采放頂煤技術不斷應用，對巷道支護技術提出更高的要求。綜采放頂煤工作面回風/運輸巷一般沿煤層底板掘進，頂板為一定厚度的煤層。與巖層相比，頂煤一般強度比較低、松軟破碎、穩(wěn)定性差。加之受到采動強烈影響和遇地質構造，巷道變形破壞嚴重。因此，工作面回風/運輸巷的支護對綜放開采尤為重要。 本文所述的全煤巷道包括兩種類型: 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技術已廣泛應用于全煤巷道支護，在適宜的條件取得良好效果［1－2］。關于全煤巷道錨桿支護技術，已經(jīng)有很多研究成果。文獻［3］研究了全煤巷道錨桿支護技術在沿空煤巷中的應用，采用樹脂加長錨固高強錨桿支護沿空煤巷。文獻［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構特征，并對全煤巷道圍巖的離層位置進行了預判。錨桿支護技術在深部高地應力全煤巷道中也得到推廣應用［5－6］。有些學者以模糊聚類煤巷圍巖穩(wěn)定性分類為基礎，對全煤巷道錨網(wǎng)支護技術進行了研究［7］。 通過近年來的研究發(fā)現(xiàn)，對于全煤巷道，大幅度提高錨桿與錨索的預應力，采用高預應力、高強度錨桿支護可有效控制圍巖變形［8－10］?；谶@種支護理念，本文以同煤大唐塔山煤礦8105 工作面5105 回風巷全煤巷道為例，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系。在此基礎上，提出合理的錨桿與錨索支護設計，并進行井下試驗，評價支護效果。 5.1道圍巖應力分布特征及影響因素的數(shù)值模擬 5.1 .1模擬對象 以同煤大唐塔山煤礦8105 綜放工作面5105 回風巷為對象進行模擬研究。8105 綜放工作面開采3－5 號煤層。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 回風巷斷面為矩形，寬5. 5 m，高3. 9 m。巷道沿煤層底板掘進。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。直接底為高嶺質泥巖，平均厚度為6. 56 m。巷道埋深為460 m。地應力測量結果為: 最大水平主應力為12. 90 MPa，垂直應力為11. 44 MPa，最大水平主應力方向為N19. 0°E。 5.1.2模擬方案 采用有限差分數(shù)值計算軟件FLAC3D 進行數(shù)值模擬計算。根據(jù)實驗室測試結果確定模型中煤巖層物理力學參數(shù)，見表1。煤巖體采用Mohr －Coulomb本構模型。 結合塔山礦5105 回風巷地質條件，對影響巷道圍巖應力分布的因素進行模擬分析。具體模擬方案如下: ( 1) 巷道沿煤層底板掘進時，不同頂煤厚度對圍巖應力分布的影響。頂煤厚度分別為0，5，10，15，20， 25 m。 ( 2) 不同巷道布置位置對圍巖應力場分布的影響。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，相鄰工作面回采后對巷道圍巖應力分布的影響。 ( 3) 不同巷道高寬比對圍巖應力場分布的影響。全煤巷道高寬比為1， 0. 75， 0. 5 時圍巖應力場分布特征。 ( 4) 不同地應力對全煤巷道圍巖受力的影響。不同地應力組合見表2。 5.1.3模擬結果分析 頂煤厚度對圍巖應力分布的影響 圖1 為不同頂煤厚度時巷道圍巖應力分布狀況。圖1( a) 巷道頂?shù)装鍨閹r體，沒有頂煤。巷道掘進后應力集中區(qū)主要位于頂?shù)装鍘r層中巷道四角位置，最大壓應力值達到22 MPa; 由于頂?shù)装鍘r體強度相對較高，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，頂煤中壓應力分布區(qū)域增大，頂煤中的應力值小于巷道底板中的應力值，頂煤與頂板巖層存在明顯的交界面?？傮w來看，掘進期間，頂煤厚度在10 m 以內時，巷道圍巖應力分布與頂煤厚度有較大關系，隨著頂煤厚度的增加，頂煤中應力集中區(qū)擴大，應力值 巷道布置位置對圍巖應力分布的影響 5105 回風巷以一定寬度的煤柱與上一個工作面的采空區(qū)隔開。煤柱寬度對巷道圍巖應力分布產(chǎn)生顯著影響，如圖2 所示。當煤柱寬度為10，20 m 時，巷道掘進時兩幫產(chǎn)生的應力集中區(qū)與工作面回采后在煤柱中產(chǎn)生的應力集中區(qū)相互疊加( 圖2 ( a) ，( b) ) ，煤柱中最大應力值達33 MPa。當煤柱寬度增加到30 m 時，巷道掘進時在圍巖中產(chǎn)生的應力集中區(qū)與相鄰工作面回采在煤柱中引起的應力集中區(qū)開始相互分離，但仍對巷道圍巖應力分布產(chǎn)生一定的影響( 圖2 ( c) ) ，煤柱一側巷幫最大壓應力值約為30 MPa。隨著煤柱寬度進一步增加，巷道受相鄰工作面采動應力影響明顯減弱，巷道掘進在圍巖中形成的應力集中區(qū)與工作面回采形成的應力集中區(qū)基本分離( 圖2 ( d ) ) ，巷道圍巖最大壓應力減小至27 MPa?？傮w來看，全煤巷道所在煤層由于厚度較大，巷道掘進與相鄰工作面回采后在煤柱中形成的應力集中區(qū)與中厚煤層或薄煤層不同，煤柱中的應力不再是標準的“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，二者應力分布情況存在較大差異( 圖3) 。巷道沿底板布置時，巷道圍巖應力集中區(qū)主要分布于巷道底板兩個角處，最大應力值達到22 MPa。巷道頂煤中最大應力約為18 MPa。巷道沿頂板布置時，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，圍巖應力分布變化變得不明顯。布置相反，應力集中區(qū)主要分布于巷道頂板兩個角處，最大應力值也為22 MPa。巷道底板煤體中最大應力也在18 MPa 左右。由于兩種布置方式應力場分布不同，在巷道支護時應采取不同的圍巖控制措施。巷道沿底板布置時，除對頂煤支護外，還應加強對巷道兩幫的支護; 巷道沿頂板布置時，應加強頂板兩角處的支護，同時采取措施防止或減少底臌的發(fā)生。 巷道高寬比對圍巖應力分布的影響不同巷道高寬比時圍巖應力場分布如圖4 所示。相同巷道高度下，巷道越寬，頂煤應力集中程度越高，頂煤中應力集中區(qū)分布范圍越大，應力集中系數(shù)越高。巷道高寬比為1 時，頂煤中最大壓應力約為12 MPa; 巷道高寬比為0. 75 時，頂煤中最大壓應力約為16 MPa; 巷道高寬比為0. 5 時，頂煤中最大壓應力也為16 MPa，但壓應力集中區(qū)范圍明顯增加。不同巷道高寬比時，巷道掘進在底板中形成的應力分布存在較大差別，高寬比為1 時，底板應力集中區(qū)呈現(xiàn)“倒拱形”分布; 高寬比為0. 75 時，底板應力區(qū)分布呈現(xiàn)“倒駝峰”形分布; 高寬比為0. 5 時，底板應力集中區(qū)呈現(xiàn)不規(guī)則分布，但分布范圍明顯擴大。 從底板最大應力值來看，隨著寬度的增加，最大應力值有下降的趨勢。地應力對圍巖應力分布的影響不同地應力組合條件下巷道圍巖應力分布如圖5 所示。當水平應力與垂直應力相同時，頂煤和巷幫煤體中壓應力基本相同，應力值相對較低，約為15 MPa; 應力較高區(qū)域主要分布在強度較高的巷道底板中，最大應力值約為21 MPa。水平應力為垂直應力2 倍時，應力集中區(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度較高，其應力值和應力集中區(qū)域明顯大于頂煤，最大壓應力值達到33 MPa。當垂直應力為水平應力 2 倍時，巷道圍巖最大壓應力值約為30 MPa，應力集中區(qū)呈圓弧形對稱分布于巷道兩幫。 5.2錨索支護作用的數(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)生的應力場，在不考慮原巖應力的條件下，進行了數(shù)值模擬計算。 錨桿、錨索采用cable 結構單元模擬，錨桿彈性模量為200 GPa，屈服強度600 MPa，抗拉強度800 MPa，長度為2. 4 m，直徑為22 mm; 錨索彈性模量為195 GPa，長度為8. 3 m，直徑為22 mm，破斷力為600 kN。 分析錨桿、錨索不同預緊力在煤體中的應力分布。錨索預應力為100，150，200 kN; 錨桿預緊力分別為60，80，100 kN 5.2.2模擬結果分析 圍巖錨固區(qū)內壓應力值的提高和壓應力區(qū)的范圍擴大，是支護效果得以提高的關鍵。不同錨桿、錨索預應力組合方案下圍巖應力分布如圖6 所示。圖6( a) 顯示錨桿與錨索聯(lián)合支護中( 錨索預緊力為100 kN) ，錨桿預緊力為60 kN 時，錨桿錨固區(qū)內能形成一定范圍的壓應力疊加區(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力值約為0. 55 MPa，錨桿之間部分壓應力值約為0. 25 MPa。當錨桿預緊力為80 kN 時，巷道頂部和兩幫錨桿預緊力擴散范圍增大，在頂煤中的擴散區(qū)域基本能連成一個整體，但巷幫錨桿預應力擴散范圍仍較小，無法覆蓋整個煤幫。頂煤與巷幫煤體錨桿之間部分壓應力值增加至0. 4 MPa 左右。錨桿預緊力增大至100 kN 時，巷道頂部和兩幫錨桿錨固范圍內錨桿預緊力擴散效果良好，基本覆蓋整個錨固范圍，錨桿之間煤體中壓應力值增大至0. 5 MPa 左右。由于錨索預緊力較低，錨索預緊力無法擴散到錨索錨固范圍，錨索預緊力與錨桿預緊力疊加效果不明顯。 與圖6( a) 對比，圖6( b) 中錨索預緊力增加到150 kN，頂煤中沿錨索長度方向和垂直于錨索方向的整個范圍預應力擴散范圍明顯增加。從錨桿與錨索預緊力在煤體中形成的壓應力值來看，受錨索預緊力提高及錨桿與錨索預緊力疊加的影響，錨索附近部分煤體中最大壓應力達到0. 88 MPa。當錨桿預緊力為60， 80 kN 時，錨索與錨桿在頂煤中形成的壓應力值分布不平衡，距離錨索較遠的兩根錨桿之間壓應力值為0. 48 MPa。當錨桿預緊力達到100 kN 時，錨索與錨桿預緊力在頂煤中的擴散效果得到一定程度改善，距離錨索較遠的兩根錨桿之間壓應力值為0. 64 MPa。 從圖6 ( c) 中看出: 錨索預緊力增大至200 kN時，錨索預緊力起主要作用，預緊力擴散范圍基本覆蓋了整個錨索錨固區(qū)域，煤體中所形成的壓應力最大為1. 1 MPa。錨桿預緊力主要影響煤體中的壓應力分布范圍，隨著錨桿預緊力增大，煤體中形成的壓應力擴散范圍和壓應力值顯著增加。 圖7 為錨桿預緊力100 kN，錨索預緊力150 kN時，錨桿錨索聯(lián)合支護在巷道表面形成的壓應力場分布情況。錨桿與錨索聯(lián)合支護在巷道表面形成的壓應力區(qū)相互連接，相互疊加。錨桿托板處頂煤壓應力值達到2. 8 MPa，錨索托板處頂煤最大壓應力達到了7. 7 MPa，錨桿與錨索的預緊力基本擴散到整個頂煤表面，形成了有效的壓應力區(qū)，改善了巷道圍巖的受力狀態(tài)。 井下試驗與支護效果分析在塔山礦8105 工作面5105 回風巷全煤巷道進行了高強度、強力錨桿與錨索聯(lián)合支護井下試驗，并進行了礦壓監(jiān)測與支護效果分析。 錨桿與錨索支護設計 根據(jù)數(shù)值模擬結果結合已有的經(jīng)驗，確定塔山礦8105 工作面5105 回風巷采用高強度、強力錨桿錨索聯(lián)合支護方法。頂板錨桿為BHRB600 型、22 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼，長度2. 4 m，樹脂加長錨固，預緊力矩為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)護頂。錨索材料選用22 mm、1×19 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度8 300 mm，樹脂加長錨固。每兩排錨桿布置3 根錨索，間距2 000 mm，排距1 600 mm，錨索預緊力為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，錨桿桿體材料、直徑、長度、錨固長度及預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 鋼護板和高強度塑料網(wǎng)護幫。 支護效果分析 在5105 回風巷掘進期間，對圍巖表面位移變化進行了監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖8 所示。掘進期間巷道表面位移監(jiān)測結果表明: 距掘進工作面40 m 范圍內，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰圃黾虞^快;之后，圍巖位移逐漸減緩。距掘進工作面70 m 后，巷道位移基本保持穩(wěn)定。此時兩幫移近量為20 mm; 頂?shù)装逡平繛?2 mm。掘進期間巷道支護效果如圖9 所示。總體上看，掘進期間巷道變形量小，支護效果良好。 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。兩次采動影響后，巷道斷面有效面積為初始設計面積的86. 7%，完全能滿足安全生產(chǎn)的要求。 6術要求及更換支護的技術要求 6.1 錨桿、錨索施工技術要求 小梁溝煤礦支護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，正確的設計錨索的預緊力十分重要。如錨索的預緊力過大，則巷道圍巖的變形全部由錨索支撐，如錨索的預緊力過小，則錨索的懸吊作用不明顯，一旦錨桿不能有效的支撐圍巖，則圍巖的過大變形不可避免。因此，應將錨索預緊力設計與錨桿的受力相適應，在實踐過程中，頂板錨桿錨固力在150kN，設計錨索的預緊力為120 ～ 150kN 較為合適。 ( 1) 錨桿鉆孔位置與設計誤差不超過± 50mm; ( 2) 頂錨桿鉆孔深度小于錨桿長度0． 1m; ( 3) 錨桿鉆孔角度與設計角度誤差小于± 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，開機后邊攪拌邊推進，直到錨桿接觸孔底再轉機10s 為止。 ( 5) 幫錨桿孔中放一支超快速樹脂藥卷，再放入一支快速藥卷，用錨桿將其推入孔底后開動煤電鉆，邊攪拌邊推進，直至錨桿接觸孔底再轉動15s 為止。 ( 6) 頂錨桿螺母預緊力矩不得低于120N·m，幫錨桿的螺母扭緊力矩不得小于60N·m。 ( 7) 護網(wǎng)必須拉緊，使之緊貼巷道表面; 金屬網(wǎng)搭接長度200mm，搭接段每200mm 用12 號鐵絲綁扎。 ( 8) 錨索支護必須緊跟錨桿支護后面進行，距錨桿支護的距離最大不得超過4m; 每根錨索必須用張拉設備安裝，錨索的預緊力不小于150kN。 4． 2 更換巷道支護的安全要求 小梁溝煤礦巷道服務時間較長，巷道離層非常嚴重，在施工之前要制定相應的技術措施，保證施工安全。 ( 1) 更換支護時，必須保證有在發(fā)生冒頂、堵塞巷道時人員能撤退的出口; ( 2) 更換巷道支護時，必須由外向里逐架進行，嚴禁人員進入更換地點以里。 ( 3) 撤掉原有支架前，應先加固工作地點的支架。 ( 4) 更換支架的工作要連續(xù)進行，不連續(xù)進行時，每次工作結束前，必須接頂封幫，確保安全。 7結論 ( 1) 掘進期間，全煤巷道頂煤厚度在10 m 以內時，隨著頂煤厚度的增加，頂煤中應力集中區(qū)擴大，應力值降低; 頂煤厚度超過10 m 時，隨著頂煤厚度的繼續(xù)增加，圍巖應力分布變化不明顯。 ( 2) 全煤巷道所在煤層由于厚度較大，巷道掘進與相鄰工作面回采后在煤柱中形成的應力集中區(qū)與中厚煤層或薄煤層不同，煤柱中的應力不再是標準的“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，頂煤應力集中程度越高，頂煤中應力集中區(qū)分布范圍越大，應力集中系數(shù)越高; 但隨著巷道寬度的增加底板巖體中應力值卻存在降低的現(xiàn)象。 ( 4) 錨桿、錨索預緊力對改善全煤巷道圍巖受力狀態(tài)起關鍵作用。合理的錨桿、錨索預緊力應在錨固區(qū)內形成相互連接、相互疊加的有效壓應力區(qū)。 ( 5) 高預應力、強力錨桿錨索聯(lián)合支護有效控制了塔山礦全煤巷道圍巖強烈變形，為全煤巷道提供了可靠的支護方式。 (6)提出了錨桿- 錨索聯(lián)合支護的預應力協(xié)調 性問題。采用數(shù)值模擬的方法,計算分析了不同錨桿預緊力矩和錨索預緊力組合情況下巷道圍巖應力場的分布特征與規(guī)律。 (7)預應力錨桿- 錨索聯(lián)合支護在支護結構內形成了相互連接、相互疊加的有效壓應力區(qū),且隨著錨桿、錨索預緊力的增加,壓應力區(qū)的值和范圍均不同程度的增加。 (8)隨著錨桿預緊力矩的增加,錨桿端部的拉應力值和范圍都不斷增加,可以通過施加錨索預緊力來平衡錨桿端部的拉應力區(qū),且錨桿預緊力矩越大,平衡其端部拉應力區(qū)所需的錨索預緊力越大。 (9)錨桿預緊力矩大于400 N ·m,錨索預緊力大于300 kN后,其對聯(lián)合支護區(qū)壓應力值及范圍的擴展作用不再明顯,因此進行預應力錨桿- 錨索聯(lián)合支護時,錨桿預緊力矩選擇在300～400 N·m之間,同時錨索的預緊力選擇在200～300 kN之間比較合理。在淮南謝一礦進行了預應力錨桿錨索聯(lián)合支護系統(tǒng)井下試驗,試驗表明,合理的預應力錨桿錨索支護可以顯著控制圍巖變形。 參考文獻: [ 1 ] 　趙長海. 預應力錨固技術[M ]. 北京: 中國水利水電出版社,2002. 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