不同支护参数下预应力扩散效果分析

王 卓

（山西凌志达煤业有限公司， 山西 长治 046000）

引言

能源是维持世界经济发展的重要保障，其对各国的发展均有着重要的意义。我国已经探明的资源储量众多，整体能源格局呈现出多煤、少油、贫气的格局，所以在我国煤炭资源的重要性不言而喻。在我国煤炭资源开采过程中，支护一直是重要的研究课题。近年来，随着我国开采年限及开采深度的不断增加，煤炭资源开采的难度不断增加，这无疑造成巷道围岩变形及破碎严重的问题，所以支护的难度不断加大，支护过当及支护不当均对矿井企业有着较多不利因素，所以研究支护问题成为了矿井开采的重要课题[1-2]。此前众多学者对支护方案进行过研究，但多为支护方案的可行性研究[3-4]。本文基于前人的研究基础，在考虑诸多因素的情况下对锚杆支护参数与预应力扩散效果之间的关系进行研究，为后续基于锚杆预应力扩散效果的锚杆支护参数选择提供一定的参考与借鉴。

1 软弱夹层对预应力扩散的影响

在进行矿井支护方案研究时，由于矿井地质环境较为复杂，环境不可控因素众多，所以对其进行研究的手段相对匮乏，此时数值模拟计算的优越性就展现出来，其能够计算不同围岩情况下巷道围岩应力场及采掘过程中围岩位移情况。本文选择FLAC3D 对巷道顶板中软弱岩层（泥岩）位于不同层位时，锚杆预应力的扩散效果。

在巷道支护过程中，围岩与预应力锚杆相互作用，锚杆预应力在围岩中形成扩散形态及效果，达到预应力锚杆支护作用，首先对泥岩位于顶板0.2 m、0.4 m、0.6 m 和0.8 m 四种层位下锚杆预应力扩散效果进行数值模拟。巷道的断面选择4.5 m×2.6 m 的矩形断面，选定锚杆的型号为Φ20 mm×2 400 mm 螺纹钢锚杆，锚杆间排距为0.8 m、0.8 m，设定锚杆预紧力为60 kN。模型的尺寸设定为长×宽×高=24.5 m×5 m×18 m，对模型进行网格划分，经过划分后模型的网格共计527 450 个，对不同软弱岩层层位下锚杆预应力扩散效果进行分析，模拟云图如图1 所示。

图1 不同软弱岩层层位下锚杆预应力扩散效果云图

如图1 所示，当泥岩位于顶板0.2 m 层位时，此时压应力区集中在托盘及锚杆端部，拉应力区范围较大，在托盘位置形成压应力叠加，在叠加位置的应力为0.98 MPa，压应力区范围较小，在支护锚杆的端部未形成应力的叠加，所以锚杆预应力未能有效扩散，扩散效果较差；当泥岩位于0.4 m 层位时，此时的顶板压应力集中在锚杆杆体端部和杆体尾部，在锚杆锚固外出现拉应力区，同时在锚杆两端出现应力叠加区，应力叠加区能够覆盖锚杆杆体，此时在叠加区的应力值为1.14 MPa，压应力区的应力值有明显增大，此时能够实现预应力的有效扩散，满足预应力锚杆的支护效果；当泥岩在0.6 m 层位时，此时同样在每根锚杆的端尾部形成压应力区，压应力区同样能够覆盖锚杆杆体，此时在锚杆端部拉应力区有了一定的减小，叠加区的边界应力值为1.09 MPa，较泥岩层位0.4 m时有了微弱的减小，预应力基本能够实现扩散；当泥岩在0.8 m 层位时，此时锚杆端尾部形成压应力区，端部压应力实现了叠加，此时的扩散范围较大，范围边界应力值为1.14 MPa，锚杆的端部以上拉应力的范围有了明显的减小，预应力扩散效果很好。所以当软弱夹层位于顶板层位0.2 m 以上时，预应力锚杆效果较好，当层位较小时，必须调整支护参数，达到安全生产目的。

2 不同参数下预应力扩散分析

对不同预紧力、锚杆直径下的锚杆扩散率进行分析，绘制不同预紧力和锚杆直径下的锚杆扩散率曲线如图2 所示。

图2 不同预紧力、锚杆直径下预应力扩散率曲线

从图2 可以看出，随着预紧力的不断增加，预应力扩散率呈现逐步增大的趋势，当预紧力为30 kN，此时预应力扩散率为0.38；当预紧力为150 kN，此时预应力扩散率为0.91。由此可以看出，随着预紧力的增大，预应力锚杆支护的扩散效果越强，支护效果越好。观察锚杆直径与预应力扩散率间的关系可以看出，随着锚杆直径的不断增大，预应力扩散率呈现先减小后增大的趋势，当锚杆直径为16 mm 时，此时的锚杆预应力扩散率最大为0.86；当锚杆直径为20 mm 时，此时预应力扩散率最小，最小值为0.69；当锚杆直径为24 mm 时，此时预应力扩散率为0.76。所以当锚杆直径为16 mm 时，此时的预应力锚杆支护效果最佳。

对不同间排距、锚杆长度下的锚杆扩散率进行分析，绘制不同间排距、锚杆长度下的锚杆扩散率曲线如图3 所示。

图3 不同间排距、锚杆长度下预应力扩散率曲线

从图3 可以看出，随着间排距的不断增加，预应力扩散率呈现逐步减小的趋势，当间排距为0.6 m、0.6 m，此时预应力扩散率为0.96；当间排距为1.4 m，此时预应力扩散率为0.48。由此可以看出，随着间排距的增大，预应力锚杆支护的扩散效果逐步减弱，此时由于支护密度的降低，支护效果减弱。观察锚杆长度与预应力扩散率间的关系可以看出，随着锚杆长度的不断增大，预应力扩散率呈现先增大后减小的趋势，当锚杆长度为1.6 m，此时的锚杆预应力扩散率最大，为0.74；当锚杆直径为2.0 m，此时预应力扩散率最大，最大值为0.75；当锚杆长度为2.4 m，此时预应力扩散率为0.69。所以当锚杆长度为2.0 m 时，此时的预应力锚杆支护效果最佳。

对四种参数对预应力扩散效果敏感性进行分析，根据曲线的最大值与最小值间的差值进行分析，根据计算可知，对锚杆预应力的扩散率影响因素主次关系排序为：锚杆预紧力＞锚杆间排距＞锚杆直径＞锚杆长度。所以从上述关系可以看出，锚杆间排距与预紧力是影响锚杆预应力扩散效果最为主要的因素。

3 结论

1）根据模拟研究得出，当软弱夹层位于顶板层位0.2 m 以上时，预应力锚杆效果较好，当层位较小时，必须调整支护参数，达到维护巷道稳定的目的。

2）随着预紧力的不断增加，预应力扩散率呈现逐步增大的趋势；而随着锚杆直径的增大，预应力扩散率呈现先减小后增大的趋势。

3）随着间排距的不断增加，预应力扩散率呈现逐步减小的趋势；随着锚杆长度的不断增大，预应力扩散率呈现先增大后减小的趋势。