浮煤对锚杆预紧力矩的影响

王 芳

(潞安环能股份公司 漳村煤矿，山西 长治 046032)

岩体锚固技术能够充分利用岩土体自身的稳定能力来增强岩土工程的稳定性，使复杂的岩土工程问题得以解决。岩体锚固技术具有施工快、不占地、扰动小、经济、安全、可靠、有效的技术特点，因此广泛应用在地下工程、铁路公路交通、城市建设、水利水电等行业中，并取得了良好的社会经济效益[1-3]。

锚杆支护作为一种有效的采煤巷道支护方式，由于对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷道断面利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优点而被广泛应用，锚杆预紧力矩的监测是锚杆支护的重要基础[4-6]。但是由于煤墙凹凸不平，在锚杆预紧的过程中随着预紧力矩的增大，煤墙的凹凸面会发生陷落，钢带发生变形，从而对同一排其他锚杆预紧力产生影响，为研究这一规律，本文讨论煤墙上浮煤对锚杆预紧力矩的影响。

1 研究背景

巷道在开挖时，原岩应力重新分布，在顶板垂直压力和水平压力双重作用下，易发生煤体鼓包等现象。巷道锚杆支护往往较为滞后，加剧了煤柱的鼓起，这些鼓包以及不平整的巷道表面对锚杆预紧力的施加造成严重影响。对鼓包的巷道表面进行锚杆支护如图1所示，锚杆1、锚杆2和锚杆3为同一排锚杆支护，使用同一根钢带，先打设锚杆1和锚杆2，施加其预紧力，然后再打设锚杆3，此时锚杆3施加预紧力势必会造成钢带的变形，从而影响锚杆1和锚杆2的预紧力。因此本文采用Workbench软件，建立三维模型，对锚杆1、2和锚杆3在支护过程中的围岩变形和预紧力变化情况进行分析。

图1 锚杆预紧示意

2 数值模拟

2.1 煤及锚杆力学参数选择

在试验机上对煤的弹性模量进行测量，如图2所示。测试按以下步骤进行，首先将煤填满容器中，托盘放入煤层，然后使压力机机头刚触到托盘(压力表指针在零位)，测量此刻容器中煤的高度，L=100 mm，开始加压，随着压力的增大托盘下移，当压力达到50 000 N时，压力保持稳定，此过程中托盘下降ΔL=30 mm，由弹性模量计算公式：

图2 煤弹性模量测试

(1)

(2)

(3)

式中:E为弹性模量，Pa；F为试验机所施加的力，50 000 N；A为托盘与煤有效接触面积，15 000 mm2；ε为煤的应变。

由式(1)、(2)和(3)得出煤的弹性模量为：E=1.1e7Pa。

锚杆和托盘的力学参数由厂家统一给定，力学参数如表1所示。

表1 力学参数选择

2.2 模拟及结果分析

建立proe三维模型，并将三维视图导入Workbench中进行划分网格，如图3所示。

图3 浮煤三维模型

分别给锚杆1、锚杆2处的托盘上表面(螺母接触面)各加100 kN的预紧力，约束条件为：煤层底面加全约束，图4和图5分别为未打锚杆3锚杆模型的位移云图和应力云图。

图4 未打锚杆3的位移云

图5 未打锚杆3的应力云

然后打设中间的3号锚杆，图6和图7分别为打完锚杆3后模型的位移云图和应力云图。

图6 打完锚杆3后的位移云

图7 打完锚杆3后的应力云

从位移和应力云图中可以看出，当打锚杆3时，锚杆1、锚杆2处的钢带会受锚杆3的影响，锚杆3的打设及对锚杆施加预紧力会挤压煤体，同时，锚杆1、锚杆2处钢带和托盘会受到向下的力，致使其位移增大，从而导致托盘处的拧紧螺母会产生松动，导致力矩减小，只打设锚杆1和锚杆2时，监测到的锚杆处煤壁的位移为29.48 mm和28.87 mm，打设锚杆3并施加预紧力后，煤壁的相同点的位移增加至31.89 mm和31.08 mm，对锚杆1和锚杆2处的影响率分别为8.2%和7.7%，从而导致锚杆1和锚杆2的力矩都有一定程度的减小，分别减小了45.1 N·m和42.4 N·m。由此可以说明，第三根锚杆打完对前两根锚杆的力矩有一定程度的影响。

3 结 语

当煤墙有浮煤，进行锚杆支护(对同一排锚杆进行支护)时，每支护完毕前一根锚杆，使其预紧力矩保证在要求范围再支护下一根锚杆时，会直接导致前一根锚杆的拧紧螺母发生松动，致使前一根锚杆的力矩减小42～45 N·m，因此在锚杆施工时，可以在设计的预紧力下适当增加其取值，以最终达到设计要求。