高強預應力讓壓錨桿在復雜圍巖中的應用

秦忠誠 王備備 劉玉騰 潘瑞凱

(山東科技大學礦業與安全工程學院， 山東 青島 266590)

高強預應力讓壓錨桿在復雜圍巖中的應用

秦忠誠 王備備 劉玉騰 潘瑞凱

(山東科技大學礦業與安全工程學院， 山東 青島 266590)

以楊營煤礦3103工作面順槽復雜圍巖巷道支護為背景，運用自然平衡拱理論，計算出楊營煤礦復雜圍巖條件下錨桿合理的支護參數：頂錨桿長度為2.4 m，間距為0.9 m；幫錨桿長度為2.2 m，間距為0.8 m；排距均為1 m。將理論計算出的錨桿參數結合有限差分數值模擬軟件FLAC3D，分別對普通錨桿、高強預應力錨桿及高強預應力讓壓錨桿進行了對比模擬研究。理論及實踐均表明：高強預應力讓壓錨桿能夠對圍巖形成主動支護，減小松動圈破壞范圍，可防止錨桿因承受過度載荷過早進入屈服階段而失效，同時能夠減小巷道支護密度，提高掘進速度,對復雜圍巖巷道形成了很好的支護效果。

復雜圍巖 高強預應力讓壓錨桿 支護參數 數值模擬 圍巖變形

楊營煤礦3100采區埋深800多m，地質構造復雜，3103工作面實見斷層7條，落差均小于5 m。由于受斷層影響，煤層頂板及兩幫均比較破碎，遇斷層時存在片幫、底鼓、頂板離層等礦壓現象。3103膠帶順槽原支護均采用規格為φ20 mm×2 200 mm的Q235普通螺紋鋼錨桿支護，由于3103膠帶順槽地質條件復雜，錨桿出現大面積破壞、巷道頂板下沉以及兩幫移近量較大等現象，嚴重影響煤礦安全生產。因此，對于復雜難支護巷道而言，僅僅依靠普通螺紋鋼錨桿支護，很難控制圍巖的劇烈變形，應積極探討適合復雜圍巖的支護方式，改善圍巖的支護效果[1]。

1 自然平衡拱理論分析錨桿參數

復雜圍巖地質條件下受構造應力的影響[2]，巷道周邊應力分布不均一，原有的支護參數很難滿足復雜圍巖巷道支護，因此應根據圍巖的強度及破壞情況設計支護參數。圖1所示為根據自然平衡拱理論計算巷道錨桿支護參數的計算圖[3]。

根據3103工作面順槽地質特性及巷道實際尺寸確定出錨桿支護參數如下。

圖1 巷道圍巖破壞范圍計算圖Fig.1 Calculating diagram of failure zone of roadway surrounding rock

(1)巷道兩幫破壞深度C及巷道頂板破壞深度b。

(1)

(2)

式中，Kcx為巷道圍巖擠壓應力集中系數，Kcx=1.8；γ為巖石的容重，γ=25kN/m3；H為采深，H=800 m；B為表征受采動影響的參數，B=1.4；fy為煤的硬度系數，fy=2.5；h為煤厚，h=3 m；φ為煤的內摩擦角，φ=30°；a為巷道半跨距，a= 2.1 m；α為煤層傾角，α=0°；ky為巖層的穩定系數，ky=0.57；fn為巖層的硬度系數，fn=3.5。

(2)頂錨桿長度Lr、幫錨桿長度Ls。

(3)

(4)

式中，Δ為錨桿錨入深部穩定圍巖長度與錨桿外露長度之和，一般取0.5～0.7 m。

(3)頂錨桿、幫錨桿間排距Dr。

(5)

頂錨桿數量N

(6)

幫錨桿數量Ns

(7)

式中，QH為頂板載荷，QH=341.9kN/m；Q為兩幫載荷，Q=70.4kN/m；Pr為頂錨桿拉拔力，Pr=160kN；Kr為安全系數，Kr=2；Ps為幫錨桿拉拔力，Ps=80kN；K1為安全系數，K1=3。

為方便錨桿安裝施工[4]，由頂錨桿數量及巷道實際幾何尺寸(4.2m×3.0m)計算出頂板錨桿間距為0.9m；根據幫錨桿數量計算出幫錨桿間距為0.8m；根據式(5)計算出頂錨桿、幫錨桿排距均為1m。

2 數值模擬

2.1 模型的建立與參數的選取

為了模擬高強讓壓錨桿支護效果，建立了普通螺紋鋼錨桿、高強預應力和高強預應力讓壓錨桿3種巷道支護方案[5]。FLAC3D模型尺寸均為28m×10m×34m，巷道實際尺寸為4 200mm×3 000mm，楊營煤礦3103工作面順槽埋深800m，因此在模型頂部施加20MPa的上覆載荷。巷道圍巖的物理力學參數見表1。

表1 圍巖的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

FLAC3D中錨桿模擬采用cable單元[6]，不同類型錨桿技術指標如表2所示。錨桿直徑為22 mm，長度為2.4 m，巷道邊角部位采用2.4 m錨桿，頂板布置5根錨桿，間距900 mm，排距1 000 mm，兩幫各布置4根錨桿，間距800 mm，排距1 000 mm。巷道斷面錨桿支護示意圖如圖2所示。

表2 不同類型錨桿技術指標Table 2 Technical specification of different bolts

圖2 巷道斷面錨桿支護示意Fig.2 Schematic diagram of bolt support at roadway section

2.2 模擬結果分析

2.2.1 圍巖應力分析

圖3為3種不同類型錨桿支護條件下的巷道圍巖應力對比圖。從中可以看出巷道圍巖表面受拉應力作用顯著，巷道頂底板的應力值隨錨桿支護方式的改善逐漸向圍巖深部轉移[7],并趨于穩定。相對于錨桿錨固范圍，采用普通錨桿支護時頂板圍巖應力約為5 MPa，高強預應力錨桿圍巖應力約為7 MPa，高強預應力讓壓錨桿頂板圍巖應力為12 MPa。

圖3 不同類型錨桿支護條件下圍巖應力變化Fig.3 Variation of surrounding rock stresses under different types of bolt support■—普通錨桿；◆—高強預應力錨桿；▲—高強預應力讓壓錨桿

2.2.2 圍巖變形量分析

圖4為3種不同類型錨桿支護條件下的巷道圍巖變形量對比圖。從中可以看出采用普通錨桿支護時左幫移近量達100 mm，巷道兩幫變形較大；而采用高強預應力錨桿時變形量只有40 mm；高強預應力讓壓錨桿由于讓壓管平衡了部分圍巖位移，巷道變形量只有20 mm，對兩幫起到了很好的支護效果。采用高強預應力讓壓錨桿支護時，頂板最大下沉量只有50 mm，最大底鼓量只有40 mm。

2.2.3 圍巖塑性區分析

在外部垂直應力的作用下，巷道圍巖的破壞從巷道的幫角、底角開始呈現剪切破壞，巷道頂底板及兩幫中先出現局部的剪切破壞帶，然后局部剪切破壞帶相互貫通，逐漸形成范圍較大的塑性破壞區[8]。

為了表征不同支護形式下圍巖破壞程度的大小，采用圍巖塑性比即塑性區面積與指定圍巖總面積的比值這一指標，如表3所示。

圖4 不同類型錨桿支護條件下圍巖變形量Fig.4 Deformation of surrounding rock under different types of bolt support■—普通錨桿；◆—高強預應力錨桿；▲—高強預應力讓壓錨桿表3 不同支護形式下的圍巖塑性比Table 3 Plastic ratio of surrounding rock under different support

錨桿類型圍巖總面積/m2塑性區面積/m2圍巖塑性比/%普通錨桿1346045高強預應力錨桿1344332高強預應力讓壓錨桿1343425

由表3可知普通錨桿支護時圍巖塑性區面積較大，圍巖塑性比達到45%，圍巖周邊松動圈得不到有效的加固，圍巖破壞較嚴重；采用高強預應力錨桿支護時，由于預應力對圍巖施加壓應力，圍巖的破壞程度明顯降低，圍巖塑性比只有32%；高強預應力讓壓錨桿圍巖塑性比只有25%，對圍巖起到了很好的加固作用[9]。

3 高強預應力讓壓錨桿支護效果實測

為了檢驗楊營煤礦工作面順槽高強預應力讓壓錨桿的支護效果，在該巷道布置了表面位移觀測斷面，共連續觀測54 d，根據以往觀測可知，原普通錨桿支護巷道頂板最大下沉量為250 mm，兩幫最大移近量為200 mm；而高強預應力讓壓錨桿支護巷道觀測斷面頂板下沉量最大為70 mm，兩幫最大移近量約為40 mm(見圖5)。對比來看，采用高強預應力讓壓錨桿支護與采用普通錨桿支護頂板相比，下沉量減少了180 mm，兩幫移近量減少了160 mm，滿足了安全生產的要求。

圖5 巷道變形量實測結果Fig.5 In-situ monitoring results of roadway deformation■—頂板下沉量；◆—底板底鼓量； ×—右幫移近量；▲—左幫移近量

4 結 論

(1)相對于普通錨桿，高強預應力讓壓錨桿允許巷道產生一定量的穩定變形，可防止錨桿過早地進入屈服破壞，對錨桿桿體具有一定的保護作用，可提高錨桿的安全性，確保巷道的長期穩定。

(2)巷道開挖后周圍圍巖要形成松動圈，松動圈破壞范圍與施加的支護體系的強度、預應力大小、預應力施加時間都有關系。為了提高掘進速度，應多采用Q500的高強度桿體，提高支護強度，減小支護密度。

(3)與普通錨桿支護相比，高強預應力讓壓錨桿支護巷道圍巖變形量顯著減小，頂板最大下沉量、兩幫最大移近量減小幅度接近80%，高強預應力讓壓錨桿支護有效地控制了巷道圍巖的變形，滿足了生產的要求。

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(責任編輯 徐志宏)

Application of High Strength Pre-stressed Yielding Boltunder the Condition of Complex Surrounding Rock

Qin Zhongcheng Wang Beibei Liu Yuteng Pan Ruikai

(SchoolofMiningandSafetyEngineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China)

Taking the roadway support under complex surrounding rock at No.3103 working face in Yangying Mine for example，the natural equilibrium arch theory is used to calculate the reasonable support parameters of anchor under complex surrounding rocks:the length of top bolt 2.4 m，the space of top bolt 0.9 m;the length of side bolt 2.2 m，the space of side bolt 0.8 m，and the distance of two rows 1 m.Combining the bolt parameters with the numerical simulation software FLAC3D，simulations on the ordinary bolt，high strength pre-stressed bolt，high strength pre-stressed yielding bolt was carried out.The theory and practice demonstrated that the high strength pre-stressed yielding bolt can effectively support the roadway，reduce the damage range of surrounding rock loose circle，and prevent anchor from excessive load and too early into the state of failure.At the same time，it can reduce the support density of roadway and increase the digging speed.Hence，the high strength pre-stressed yielding bolt owns a good support performance for the roadway with complex surrounding rock.

Complex surrounding rock，High strength pre-stressed yielding bolt，Support parameter，Numerical simulation，Surrounding rock deformation

2015-09-22

國家自然科學基金項目(編號：51379119)。

秦忠誠(1965—)，男，教授，博士。

TD353

A

1001-1250(2015)-11-133-04