摘要：现有支护方式、支护构件和协同支护理论为基础，在不考虑原岩应力的条件下，应用FLAC3D模拟软件对锚杆、锚索不同预应力值匹配方案进行模拟支护，获得合理预应力值匹配方案，并进行实地实验，获得良好支护效果。
关键词：协同支护；预应力；数值模拟
前言
我国煤炭企业支护成本高的主要原因：一是受锚杆预应力低影响，巷道开挖后，无法向巷道围岩提供足够大的及时支护力，围岩失去承载能力，增加锚杆支护密度；二是一味追求高强度、高刚度的支护构件，并未考虑各支护材料之间的协同，加大施工难度和增加支护材料浪费，降低掘进效率，间接增加支护成本。
1 锚杆、锚索预应力协同支护原理
1.1 协同支护原理
协同支护是基于对各支护构件中各因素考虑，合理匹配各个因素，使得充分发挥各支护材料的性能与作用，所产生的总力量远大于各支护材料的力量总和，充分体现协同支护的优越性与支护本质。协同支护可分为广义协同支护和狭义协同支护。而广义协同支护包括围岩、环境与支护体的协同效应、不同支护体的协同效应以及同一支护体支护参数间的协同效应。
1.2 锚杆、锚索预应力协同支护原理
锚杆、锚索协同支护被作为协同支护的重要组成部分，由于预应力值对协同支护至关重要，因而将二者的预应力值匹配作为主要变量进行研究。巷道开挖后，预应力锚杆及时向巷道围岩提供支护力，改变顶板受力状态，抑制锚固区围岩产生离层、滑动和新的裂纹等，使围岩处于受压状态，形成组合梁结构提高围岩抗压和抗剪能力。
2 杆锚索预应力值匹配方案模拟
2.1 模拟方案
在不考虑原岩应力的条件下，应用有限差分计算软件FLAC3D对锚杆、锚索预应力引起的锚杆、锚索预应力场进行模拟，通过在巷道围岩中形成的压应力值和压应力场范围求得二者合理预应力匹配值。巷道为矩形，宽×高=3.0m×2.0m，巷道直接顶、基本顶分别为粉砂岩、泥岩，平均厚度分别为3.26、30.85m。巷道布置在煤层中，沿顶板掘进。直接底为泥岩，平均厚度6.73m（煤岩体力学参数见表1）。计算模型长×宽×高=20m×10m×30m，并分别对x、y方向上的端面和z方向上的底面进行约束。具体支护方案：锚杆间排距750mm×750mm、锚索间排距1000mm×1000mm时,锚杆、锚索预应力按表2进行匹配，以其求得合理预应力匹配方案。
表1岩体物理力学参数
2.2 模拟及结果分析
在巷道围岩中，高的压应力值和广的压应力区范围是获得良好支护效果的基础，而锚杆、锚索预应力协同支护是实现高压应力值和广压应力区的根本。为实现锚杆锚索预应力协同支护，对锚杆锚索预应力值按照表2进行匹配并模拟，并选取具有代表性的模型如图1所示。
图1模型模拟图
从模型1中可以得出，即当锚杆预应力为40kN、锚索预应力为50kN时（“-”为压应力区,“+”为拉应力区），在锚杆尾部出现压应力集中现象，并在巷道围岩表面产生最大压应力值。随着锚杆向顶板深处延伸，远离巷道围岩表面，压应力值逐渐减少，并在锚杆端部出现拉应力区，拉应力区范围较大，严重影响巷道顶板稳定性。相同锚杆预应力条件下，当锚索预应力为150kN时（即模型3），位于巷道顶板表面应力集中现象加剧，最大压应力值明显增大，位于锚杆端部拉应力区范围很小，几乎为0，压应力区基本覆盖整个围岩顶板。因而，可以得出，当锚杆预应力为40kN时，与锚索预应力150kN达到协同支护，支护材料性能得到充分发挥。
3 结束语
锚杆、锚索预应力协同支护是以合理预应力值匹配为研究对象，其目的是充分发挥锚杆、锚索各支护构件的性能与作用，从而产生“1+1>2”的支护效果，降低支护成本。当锚杆、锚索预应力值达到协同时，不仅可以有效地控制巷道围岩变形量，保证巷道围岩稳定，同时也缩短了围岩变形周期，大大提高了掘进效率。
参考文献：
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论文作者:檀远远,孙井胜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/22
标签：预应力论文; 围岩论文; 应力论文; 巷道论文; 锚杆论文; 顶板论文; 方案论文; 《建筑学研究前沿》2017年第17期论文;