压力扩散型锚杆支护效应的研究分析_李晓波.pdf

压力扩散型锚杆支护效应的研究分析李晓波（晋能控股煤业集团四台矿，山西大同037000）摘要：随着煤矿矿井开采深度及长度的延伸，对锚杆的锚固支护效果要求也逐渐提高，压力扩散型锚杆可有效地提高锚杆的支护效果。采用有限元仿真的形式建立巷道掘进的支护模型，对压力扩散型锚杆的支护效应进行分析，并与常规应用的拉力型锚杆进行对比分析。应用结果表明，压力扩散型锚杆的轴力作用相对于拉力型锚杆有轻微减小，而对位移的控制效应可减小 14.5%，可有效地提高锚杆支护的效果，对于煤矿的支护安全具有重要的作用。关键词：锚杆；压力分散；轴力；位移；锚固效果中图分类号：TD353.6文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0057-020引言煤矿进行井下开采的过程中，随着采煤深度及长度的不断扩展，对巷道的锚固技术要求也逐渐提高，成为巷道掘进研究的重点。在巷道锚固的实际应用中，锚杆锚固的方式由于具有较好的锚固效果及便于施工的特点1，被煤矿企业广泛应用。在巷道锚固支护中普遍采用拉力型锚杆，通过锚杆将拉拔力传递给锚固体，通过锚固体与围岩的机械作用或摩擦作用于拉拔力平衡，实现对巷道的锚固支护2。随着矿井深度及长度的延伸，拉拔力不断增加，依靠增加锚固长度的方式会造成锚杆的锚固力出现一定的滞后性，对锚固效果的作用有限。采用压力扩散型锚杆进行支护3，在相同的锚固长度下，其抗拔力可提高 30%以上，具有较好的锚固效果。压力扩散型锚杆的使用研究较少4，对其支护效应的评价不足，采用有限元仿真分析的形式对压力扩散型锚杆的支护效应进行分析，并与拉力型锚杆的支护效应进行对比分析，从而掌握压力扩散型锚杆的支护效应变化规律5，对压力扩散型锚杆的支护进行设计，保证煤矿巷道的支护安全。1压力扩散型锚杆支护效应分析模型的建立压力扩散型锚杆的支护体系主要由支护桩、钢绞线及扩大头的锚固体组成，如图 1 所示，锚固体通过嵌板将拉拔力作用进行分散，锚固段承受压力作用6。这种支护方式的承载能力较高，锚固体承受压应力作用，可以提高锚固体的抗拔力作用。在对矿井巷道掘进的过程中，地质中存在的地下水会造成渗流或者孔隙水压力的变化，都会对巷道的支护效应产生影响，针对存在流固耦合作用的巷道支护效应进行仿真分析。采用 FLAC3D 软件进行压力扩散型锚杆及拉力型锚杆的锚固效应进行分析7，FLAC3D 软件具有多种材料的本构模型，可针对流固耦合、沿途变形等非线性问题进行准确地分析。在 FLAC3D 软件中锚杆通过黏接力及摩擦力的作用将拉拔力传递给深层的土体单元，锚固体受到注浆体界面及钢绞线注浆界面的双重剪切力作用8，产生锚杆与围岩的相对位移作用，对锚固的效果产生影响。依据矿井巷道的开掘条件进行锚杆支护模型的建立9，压力扩散型锚杆的支护模型如图 2 所示，拉力型锚杆的支护模型与此类似。基坑开挖的模型规则，支护形式为锚杆支护，上方为 3 m 的放坡，在面层进行挂网喷射混凝土，基坑的外围设置双轴布置的搅拌桩，用以隔绝地下水，支护桩之间布置旋喷桩，形成止水帷幕，在支护桩与搅拌桩之间布置降水井10，对第二层地下水进行防护排水。模型的整体长度为 35 m、宽度为 1.2 m、高度为30 m，锚杆之间的水平距离为 2.4 m，其中第一排分布的锚杆标高为 4.3 m，锚杆的支护倾角为 20，08 m为自由段，811 m 为锚固段，1117 m 为扩大头的压收稿日期：2022-04-25作者简介：李晓波（1987），男，山西霍州人，本科，毕业于山西大同大学煤炭工程学院，工程师，研究方向为采矿工程。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.023图 1压力扩散型锚杆的支护体系组成图 2压力扩散型锚杆支护模型锚环无黏性黏结钢绞线钻孔锚垫板回收装置扩大头段嵌板1.2780E+031.2000E+031.0000E+038.0000E+026.0000E+024.0000E+022.0000E+020.0000E+00临近荷载止水帷幕放坡面支护桩腰梁基坑底面压力分散型扩大头锚杆试验研究机械管理开发第 38 卷力分散锚固段，拉力分散型的锚杆分布与此类似；第二排的锚杆标高为 7m，锚杆的支护倾角为 20，06m为自由段，612 m 为扩大头的压力分散锚固段，拉力分散型的锚杆分布与此类似。对模型进行网格划分处理，进行锚杆支护效应的分析。依据巷道基坑开挖的实际受力状态，设置模型的底面固定约束，限制三个方向的位移，侧面受到滚之约束，在垂直于侧面的方向上限制其位移，顶面为自由约束11。在基坑的深度上包括粗砂层、中砂层、黏土层、细沙层及填土组成，分别设置各层的参数属性，并对锚杆的参数进行设定，从而对支护效应进行分析。2压力扩散型锚杆支护效应的仿真分析在进行分析的过程中，依据巷道进行掘进的施工过程，在巷道掘进的长度上设置 11 个不同的检测位置即不同的掘进工况，对锚杆的支护效应进行对比分析。在分析过程中，在掘进界面上，掘进是瞬时完成的，界面上的土体颗粒突然受到加速度作用打破平衡状态，若没有抗拉强度会沿着加速度方向运动，在界面上设置一定的抗拉强度，保证分析过程的收敛。在相同的条件下，对压力扩散型锚杆及拉力型锚杆的支护进行分析，得到在不同工况上锚杆的轴力变化，如图 3 所示。在图 3 中，在初始施工中自由段会受到遗留的砂浆作用，对其受力作用不再进行分析。从图 3中可以看出，在不同的掘进阶段中，两种锚杆的受力变化曲线的分布趋势一致，在第一排的锚杆作用中，压力扩散型的锚杆轴力略小于拉力型锚杆，在掘进到工况 9 的位置时，第二排的锚杆开始受力，压力扩散型的锚杆轴力同样略小于拉力型锚杆，且此时第一排的锚杆轴力明显下降，这说明两排锚杆共同起到锚固支护的作用，压力扩散型锚杆的轴力降低。同样对压力扩散型锚杆及拉力型锚杆产生的桩顶水平位移进行分析，得到在不同工况上锚杆的位移变化如图 4 所示。从图 4 中可以看出，两种锚杆支护产生的桩顶的位移变化均与监测值保持一致的变化趋势，在巷道掘进过程中呈曲折上升的分布。进行巷道掘进时，压力扩散型锚杆产生的最大位移量为 6.5mm，而拉力型锚杆产生的最大位移量为 7.6 mm，两者对比可知，压力型锚杆支护可减小位移变形量约14.5%，具有较好的位移控制能力，对于控制围岩的变形具有较好的作用，起到了较好的支护效果。3结语煤矿进行开采过程中巷道的支护效应对矿井的安全具有重要的影响，常规采用的拉力型锚杆支护随着矿井深度及长度的延伸，通过增加锚固长度并不能有效地提高锚固的效果，而压力扩散型锚杆通过嵌板进行压力作用的分散，可以较好地提高锚杆支护的效果。针对压力扩散型锚杆的支护效应采用有限元仿真模拟的形式进行研究，依据矿井巷道的掘进工况建立锚杆支护的模型，对常规拉力型锚杆及压力扩散型锚杆的支护效应进行分析，结果表明，在进行锚杆支护的过程中，压力扩散型锚杆的轴力作用相对拉力型锚杆有轻微减小，而对位移的控制效应可减小 14.5%，对围岩的位移具有较好的控制效果，具有良好的围岩支护效应，可以提高锚杆支护的效果，保证煤矿的支护安全。参考文献1陈晓毅.坚硬顶板 2S202-1 回风巷全长预应力锚杆支护技术应用J.山东煤炭科技，2022，40（3）：4-6.2胡瀚超.不同锚杆支护方案对煤巷围岩应力的影响分析J.机械管理开发，2022，37（2）：66-67；70.3陈东义，郭彦波.矿建工程巷道掘进锚杆支护的特点及支护效果研究J.世界有色金属，2022（1）：36-38.4余仁贵.锚杆支护技术在矿建工程巷道掘进中的应用J.世界有色金属，2022（1）：30-32.5李海成.水电工程边坡锚杆支护位移自动监测技术研究J.自动化与仪器仪表，2021（12）：97-100.6刘栋，张剑，孟晓刚.贺西煤矿近距煤层采空区下回采巷道锚杆支护优化研究J.现代矿业，2021，37（11）：48-51.7郑二虎，王鹏，周健南，等.基于 3DEC 的锚杆支护超大跨度洞室抗爆性能数值模拟J.建筑技术开发，2021，48（21）：87-90.8柳国明.深基坑锚杆支护结构中锚杆参数对深基坑变形影响有限元分析J.中国科学探险，2021（5）：113-115.9孙海林.锚杆支护在综采工作面回撤通道中的应用J.机械管理图 3锚杆的轴力变化曲线图 4锚杆的桩顶位移变化曲线1901801701601501401301201101009056789101112工况锚索轴力/kN第一排压力分散型扩大头锚杆第二排压力分散型扩大头锚杆第一排拉力型锚杆第二排拉力型锚杆-10-8.0-6.0-4.0-2.00.023456789101112工况桩顶水平位移/mm扩大头压力分散型锚杆扩大头拉力型锚杆桩顶监测值（下转第 64 页）58机械管理开发第 38 卷改造为 TDS 智能干法分选后平均入主洗原煤灰分由 40.18%降低至 38.06%，降低 2.12%。说明动筛跳汰机排矸效果和分选精度明显低于 TDS 智能干选机。3.5重介浅槽分选机和 TDS 智能干法分选机应用对比分析1）重介质浅槽分选机不能准确分辨出粒级相同的煤和矸石，会造成煤的损失，或矸石中带有煤量大。而 TDS 智能干选机精度高，通过建立模型，进行数据分析，把每一块矸石和煤作为一个独立体，能够智能精确地辨别出每一个颗煤粒和矸石粒，实现煤和矸石分离，无论粒径相同与否。2）重介质浅槽分选机属于湿选工艺，用到大量的水和介质，需要增加煤泥压滤和重介质回收系统以及相关的管道连接设备，成本高，而 TDS 智能干选机系统简单，原理是利用 X 射线识别煤与矸石，执行介质则是经过空压机处理的高压空气，其耗能部分主要是空压机，在作业过程中不涉及到用水，配套相对简单。3）重介质浅槽分选机和 TDS 智能干法分选机都已实现自动化处理，但重介质浅槽分选机对于超大煤粒仍然需人工手选，劳动强度较大，且有安全隐患，而TDS 智能分选机为最新研制的高科技产品，操作人员远程即可控制，安全环保。4结语TDS 智能干法分选机与传统的动筛跳汰分选系统，重介浅槽分选机相比，具有自动化程度更高，分选精度高，节约水资源，成本低，提高了煤炭的回收率，能有效增加企业的经济效益。参考文献1刚罗宝，张衍军.智能干选机在转龙湾煤矿选煤厂的应用J.煤炭加工与综合利用，2021（9）：51-54.2冀宝中.动筛跳汰机与 TDS 智能干选机在柳湾煤矿选煤厂的应用对比J.自动化应用，2022（1）：119-122.3徐莽.TDS 智能干选机在原煤分选中的应用研究J.机械管理开发，2021，36（7）：167-168；283.4韩士华.TDS 智能干选机在曙光选煤厂的应用J.煤炭加工与综合利用，2019（8）：34-35；39.5王新锋.TDS 智能干选机在王家塔选煤厂的应用J.选煤技术，2019（4）：98-101.6黄邦松.TDS 智能干选机在双柳煤矿的应用J.中国煤炭，2020，46（3）：47-50.（编辑：王婧）煤矿名称矸石带煤/%入主洗原煤灰分/%增加精煤产率/%增加中煤产率/%动筛TDS动筛TDS动筛TDS动筛TDS曙光5.000.4050.7648.680.542.520.130.61柳湾4.401.0042.2441.830.971.500.420.66表 2动筛跳汰机和 TDS 智能干选机运行情况对比Applicationof TDS Intelligent Dry Separation Machine in the Raw Coal Preparation System ofFenxi MiningXing Xiaochen（Fenxi Mining Coal Quality Transportation and Sales Center,Jiexiu Shanxi 032000）Abstract:This article introduces the basic situation of the Fenxi raw coal preparation workshop and sorting system.The application effectof TDS intelligent dry separation machine in the Fenxi mining raw coal preparation system has been demonstrated.The practical applicationshows that the TDS intelligent dry separation machine has good application effect in various coal washing plants in Fenxi.Key words:TDS intelligent dry coal preparation machine;coal preparation plant;gangue carrying coal rate开发，2021，36（9）：208-210.10姚添智，张建海，刘桂泽，等.地下厂房锚杆支护的反向传播神经网络智能化设计模型J.科学技术与工程，2021，21（23）：9983-9989.11王金羽，王正义，李鹏波，等.动载对巷道锚杆支护结构扰动作用的数值模拟J.矿业工程研究，2021，36（1）：38-43.（编辑：王慧芳）Research and Analysis on the Support Effect of Pressure Diffusion Type Anchor RodsLi Xiaobo（Jinneng Holdings Coal Industry Group Sitai Mine,Datong Shanxi 037000）Abstract:With the extension of mining depth and length in coal mines,the requirements for the anchoring support effect of anchor rodsare gradually increasing.Pressure diffusion anchor rods can effectively improve the support effect of anchor rods.Establish a support modelfor tunnel excavation using finite element simulation,analyze the support effect of pressure diffusion type anchor rods,and compare it withconventional tension type anchor rods.The application results show that the axial force of the pressure diffusion type anchor rod is slightlyreduced compared to the tension type anchor rod,and the control effect on displacement can be reduced by 14.5%,which can effectivelyimprove the effectiveness of anchor rod support and play an important role in the safety of coal mine support.Key words:anchor rod;pressure dispersion;axial force;displacement;anchor effect（上接第 58 页）64