浮煤对锚杆预紧力矩的影响.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０１􀆽 １４ 作者简介王 芳１９７６ － ꎬ女ꎬ山西长治人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿技术管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０５. ００９ 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ꎬ山西 长治 ０４６０３２ 摘 要锚杆进行预紧支护时ꎬ随着预紧力的增大ꎬ锚杆托盘压紧钢带ꎬ甚至使得钢带发生变形ꎬ对上一根 锚杆预紧效果产生影响ꎮ 文章利用 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 软件ꎬ建立锚杆支护的三维模型ꎬ分析了锚杆预紧次序不 同ꎬ即预紧后一根锚杆对钢带状态的影响ꎬ得到了当煤墙有浮煤时ꎬ施加锚杆预紧力会使前一根锚杆的力 矩减小ꎮ 研究结果对煤矿巷道支护具有重要意义ꎬ可以指导巷道锚杆预紧力施工ꎮ 关键词锚杆预紧力ꎻＷｏｒｋｂｅｎｃｈꎻ三维模型 中图分类号ＴＤ３５３. ６ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００５􀆽 ００２５􀆽 ０２ 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ꎬ使复杂的岩土工程 问题得以解决ꎮ 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ꎬ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ꎬ并取得了良好的社会经济效益[１ －３]ꎮ 锚杆支护作为一种有效的采煤巷道支护方式ꎬ 由于对巷道围岩强度的强化作用ꎬ可显著提高围岩 的稳定性ꎬ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ꎬ锚杆预紧力矩的监测是锚杆支护 的重要基础[４ －６]ꎮ 但是由于煤墙凹凸不平ꎬ在锚杆 预紧的过程中随着预紧力矩的增大ꎬ煤墙的凹凸面 会发生陷落ꎬ钢带发生变形ꎬ从而对同一排其他锚杆 预紧力产生影响ꎬ为研究这一规律ꎬ本文讨论煤墙上 浮煤对锚杆预紧力矩的影响ꎮ １ 研究背景 巷道在开挖时ꎬ原岩应力重新分布ꎬ在顶板垂直 压力和水平压力双重作用下ꎬ易发生煤体鼓包等现 象ꎮ 巷道锚杆支护往往较为滞后ꎬ加剧了煤柱的鼓 起ꎬ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ꎮ 对鼓包的巷道表面进行锚杆 支护如图 １ 所示ꎬ锚杆 １、锚杆 ２ 和锚杆 ３ 为同一排 锚杆支护ꎬ使用同一根钢带ꎬ先打设锚杆 １ 和锚杆 ２ꎬ施加其预紧力ꎬ然后再打设锚杆 ３ꎬ此时锚杆 ３ 施 加预紧力势必会造成钢带的变形ꎬ从而影响锚杆 １ 和锚杆 ２ 的预紧力ꎮ 因此本文采用 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 软 件ꎬ建立三维模型ꎬ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ꎮ 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ꎬ如图 ２ 所示ꎮ 测试按以下步骤进行ꎬ首先将煤填满容器中ꎬ 托盘放入煤层ꎬ然后使压力机机头刚触到托盘压 力表指针在零位ꎬ测量此刻容器中煤的高度ꎬＬ ＝ １００ ｍｍꎬ开始加压ꎬ随着压力的增大托盘下移ꎬ当压 力达到 ５０ ０００ Ｎ 时ꎬ压力保持稳定ꎬ此过程中托盘 下降 ΔＬ ＝３０ ｍｍꎬ由弹性模量计算公式 图 ２ 煤弹性模量测试 Ｅ ＝ σ ε １ σ ＝ Ｆ Ａ ２ ５２ 实实用用技技术术 总第 ２４９ 期 ε ＝ ΔＬ Ｌ ３ 式中Ｅ 为弹性模量ꎬＰａꎻＦ 为试验机所施加的 力ꎬ５０ ０００ Ｎꎻ Ａ 为 托 盘 与 煤 有 效 接 触 面 积ꎬ １５ ０００ ｍｍ２ꎻε 为煤的应变ꎮ 由式１、２和３得出煤的弹性模量为Ｅ ＝ １. １ｅ７Ｐａꎮ 锚杆和托盘的力学参数由厂家统一给定ꎬ力学 参数如表 １ 所示ꎮ 表 １ 力学参数选择 材料名称煤托盘钢带 材质－Ｑ２３５Ｑ２３５ 弹性模量/ Ｐａ１.１ｅ７２.１ｅ１１２. １ｅ１１ 泊松比０.２５０.３０.３ ２. ２ 模拟及结果分析 建立 ｐｒｏｅ 三维模型ꎬ并将三维视图导入 Ｗｏｒｋ￣ ｂｅｎｃｈ 中进行划分网格ꎬ如图 ３ 所示ꎮ 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ꎬ约束条件为煤层底面 加全约束ꎬ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ꎮ 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ꎬ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ꎮ 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ꎬ当打锚杆 ３ 时ꎬ 锚杆 １、锚杆 ２ 处的钢带会受锚杆 ３ 的影响ꎬ锚杆 ３ 的打设及对锚杆施加预紧力会挤压煤体ꎬ同时ꎬ锚杆 １、锚杆 ２ 处钢带和托盘会受到向下的力ꎬ致使其位 移增大ꎬ从而导致托盘处的拧紧螺母会产生松动ꎬ导 致力矩减小ꎬ只打设锚杆 １ 和锚杆 ２ 时ꎬ监测到的锚 杆处煤壁的位移为 ２９. ４８ ｍｍ 和 ２８. ８７ ｍｍꎬ打设锚 杆 ３ 并施加预紧力后ꎬ煤壁的相同点的位移增加至 ３１. ８９ ｍｍ 和 ３１. ０８ ｍｍꎬ对锚杆 １ 和锚杆 ２ 处的影 响率分别为 ８. ２％和 ７. ７％ꎬ从而导致锚杆 １ 和锚杆 ２ 的 力 矩 都 有 一 定 程 度 的 减 小ꎬ 分 别 减 小 了 ４５. １ Ｎ􀅱ｍ和 ４２. ４ Ｎ􀅱ｍꎮ 由此可以说明ꎬ第三根 锚杆打完对前两根锚杆的力矩有一定程度的影响ꎮ ３ 结 语 当煤墙有浮煤ꎬ进行锚杆支护对同一排锚杆 进行支护时ꎬ每支护完毕前一根锚杆ꎬ使其预紧力 矩保证在要求范围再支护下一根锚杆时ꎬ会直接导 致前一根锚杆的拧紧螺母发生松动ꎬ致使前一根锚 杆的力矩减小 ４２ ４５ Ｎ􀅱ｍꎬ因此在锚杆施工时ꎬ可 以在设计的预紧力下适当增加其取值ꎬ以最终达到 设计要求ꎮ 参考文献 [１] 范明建ꎬ康红普. 锚杆预应力与巷道支护效果的关系 研究[Ｊ]. 煤矿开采ꎬ ２００７ꎬ１２４１ －３. [２] 王 拓. 回采巷道全长树脂锚杆锚固力学特性研究 [Ｄ]. 淮南安徽理工大学ꎬ ２０１７. [３] 岳崇炎. 新桥煤矿 ２１０７ 轨道巷支护优化设计[Ｊ]. 能 源与环保ꎬ ２０１８ꎬ ４０５２０８ －２１２. [４] 王 拓ꎬ 常聚才. 综采面多层坚硬顶板破断特征及其 安全控制研究[Ｊ]. 地下空间工程学报ꎬ２０１７ꎬ１３Ｓ１ ３３９ －３４３. [５] 陈希鲜. 软岩巷道预应力锚固支护参数对其变形影响 的模拟研究[Ｄ]. 淮南 安徽理工大学ꎬ２００６. [６] 王鹏龙. 顶板差异性及锚杆参数对锚杆预应力扩散效 果的影响研究[Ｄ]. 太原 太原理工大学ꎬ２０１８. [责任编辑路 方] ６２ ２０２０ 年 ５ 月 王 芳浮煤对锚杆预紧力矩的影响 第 ２９ 卷第 ５ 期