煤層巷道圍巖預應力錨桿支護技術研究

孫有明 鄭雷 王雪芹

摘 要： 本文介紹了錨桿支護技術在煤層巷道的應用和影響，同時指出了某些煤層頂板事故發生的原因有多種，錨桿強度較弱只是其中之一，錨桿密度不能從根本上解決問題，而錨桿的預拉力在其中有不可忽視的作用，進而比較系統、詳細地介紹了煤層巷道圍巖預應力結構理論和支護設計方法。

關鍵詞： 煤巷 錨桿支護 技術研究

20世紀80年代以來，煤層巷道樹脂錨桿支護技術不斷成熟，目前已經被世界上一些先進的采煤國家當做是煤礦支護的核心模式。中國也于20世紀80年代末開始大力開展煤巷錨桿應用技術研究和推廣應用，并在20世紀90年代末基本與國際先進水平接軌。結合國內外的具體應用現狀，目前在支護系統自身存在的一些問題中，比如強度的不足、錨桿的錨固技術不足等，可以借助于高強螺紋鋼樹脂錨桿技術對其進行彌補，較深入地分析煤巷高強錨桿的作用機理，已經形成一套較為完善的研究體系。

在近些年的發展中，巷道冒頂事故頻頻發生，而且出現了離層變形的情況，錨桿強度并不是造成冒頂的唯一因素，同樣不是單純地增加錨桿密度便可以實現，我們不能忽視錨桿預拉力在冒頂事件中的作用，并且它的作用要高于錨桿的強度與密度。早在1997年和1998年，郭頌便展開了對巷道穩定性的研究，他指出，水平地應力對其產生一定影響，而且在巷道頂道頂板離層垮冒事故中及底板鼓起現象中，水平地應力是最核心的因素。同時，郭頌的研究表明，可以借助于巷道頂板錨桿預拉力的提升，進而實現對巷道穩定性的提升。

目前業界亟待深入研究錨桿支護技術，對其未來的發展趨勢進行預測，對當前已有的技術進行全面應用，并深入研究預拉力錨桿支護技術。當前美國高預拉力錨桿支護技術已取得了顯著成效，各項新技術取得了不少成功。這些成功證明：高預拉力錨桿技術可以實現對層狀頂板的離層良好的把控，直接帶來的結果就是冒頂情況銳減；在同等條件之下，對錨桿的密度進行降低，從而提升了間排距，并且大大減少了錨桿的使用數量；對掘進的速度有效提升，同時良好地提升了支護效率。

1.煤巷層狀頂板的預應力結構理論

1.1概念

如果在巷道已經開挖之后，圍巖出現了小幅度的變形，那么，較脆的巖體便會隨之發生一定的改變，常見的有離層、松動、開裂等，從而降低圍巖強度。雖然在煤層巷道開挖過程中會及時地安裝上錨桿，然而，如果采用的是一般的錨桿，在不加預拉力的情況下，它仍然是一個被動支護的性質。這種錨桿一般情況下都具有一定的“鋼”性，而且用的時候都是盡可能多用。如果一旦頂板出現離層現象，那么，這種錨桿所具有的抗力無法對頂板總體的抗剪能力帶來絲毫幫助。它無法對錨桿長度不能覆蓋的范圍內的離層現象有效控制，仍然會出現垮冒現象。

據相關資料顯示，在我國，高強錨桿通常都保持有0.6～0.8m的排距，整體離層現象時有發生，嚴重的甚至會出現垮冒現象，但是在這種情形之下，錨桿的實際受力不大，整體安全性不高。

由此我們提出了煤巷支護預應力結構的概念為：在實際施工時，可以迅速地給各種支護構件足夠的張拉力，并快速地進行傳遞，一直將其傳至頂板，令頂板巖石可以保持橫向壓縮的狀態，以便保護頂板圍巖體受到的損害，避免弱面離層問題的出現，從而實現對圍巖穩定的保護。目前將之稱作是頂板預應力機構。

1.2層狀頂板預應力結構理論

1.2.1預拉力（或稱預緊力）的大小

預拉力的大小對整個錨桿頂板來說，要想穩定錨桿頂板，預拉力起著至關重要的作用。

出現高水平應力情況時，頂板表面勢必會遭受到損壞，而如果預拉力一直增大，能夠使整個頂板巖層保持一個橫向壓縮的情況，這樣一來，便可以有效提升抗剪能力，從而阻止它的破壞力繼續蔓延。

錨桿參數及預拉力之間要實現一個科學而合理的配置，從而更好地確保錨桿長度覆蓋內與覆蓋外的頂板巖層不會遭遇離層的損傷。如果預拉力十分強大，頂板巖層的各個層位便會出現負應變以及正應變，此時，無法造成頂板的下沉問題。也就是說，預應力結構能夠保證只是在縱向方面有小幅度的變形，而在橫向方面不存在變形。

1.2.2水平應力

在既定環境中，水平應力對整個巷道頂板的穩定有一定作用。

如果最大水平應力與巷道軸向處于一種垂直的狀態，那么，此時的巷道不見得就難以維護，可以借助于加大預拉力保護頂板一定的穩定性；而如果最大水平應力與巷道軸處于的狀態是平行狀態，那么，此時巷道并一定就可以實現更好的維護，主要取決于其自身的強度與地應力之間的比例，同時與預拉力的強度有關。

1.2.3頂板的穩定性與巷道寬度和垂直壓力的關系

在既定的范圍之內，頂板的穩定性并不與巷道寬度及所受的垂直壓力直接相關。普遍認為，巷道越寬，則其相應的頂板穩定性便顯得越差。但是，這種理論僅僅在被動支護中存在，在這種情況下，拉應力與其破壞程度成正比。

對于頂板的穩定性產生影響的還有其他因素，比如采深因素、長壁工作面超前垂直支撐壓力等，這些因素相應而言，也會對其穩定性產生一定的影響，但是影響微小。如果預拉力過大，此時，整個頂板的垂直壓力便會不再那么集中，相對而言，兩幫維護也更容易操作。在被動錨桿支護原則中，一向是堅持“先護幫，后控頂”，而在主動錨桿支護的原則中，則是堅持“幫頂同治”，此時幫部穩定能夠實現與頂部的對比分析。

在施工機具及施工的工藝等方面，目前的研究方向應該集中在高預拉力的實現方面。在相同的地段里，同等的條件下，要盡可能地提升錨桿的預拉力，從而更好地保證穩定性，并且有效地節省成本，進而提升掘進的整體速度。

2.煤巷預應力支護設計方法

2.1設計方法

為了保證巷道錨桿支護這種技術是經濟的、合理可靠的，我們就要將重點放在該技術的設計層面。就目前已經出現的設計方法，大致可以劃分為三種：一是利用工程類比的手段，這里還包含了應用一些簡單的計算公式（如常見的在回采巷道圍巖穩定基礎上設計出來的方法）；二是理論計算方法，這種典型的計算法有組合拱理論及懸吊理論等；三是采用數值模擬的方式設計所需要的巷道支護桿，計算機的使用已經進入普遍化階段，這就促進人們利用計算機來模擬巷道支護的設計，比如模擬計算地下巖石工程結構相對應的應力等。

2.2快速、通用、巨型礦山巷道系統三維有限元模型系統的建立

一直以來，有限元數值計算技術都是人們解決在采礦過程中出現的力學問題的主要方法，但是這種方法有一定的局限性（比如僅限于二維模型或者小范圍的問題），幾乎沒有考慮到水平應力的方向性問題。除此之外，原有的數值計算技術設定出的模型往往是針對特定問題，這就使得一旦問題發生變化，已有的模型將不再適用。同時傳統的有限元數值計算技術在其整個分析過程（從模型的建立、運行、檢測再到最后的結果分析）中需要耗費大量資金和人力。

隨著時間的推移，人們重新審視了水平應力方面的問題，開始慢慢質疑在傳統有限元計算技術分析下得到的結果的合理性，這也使得傳統的方法開始受到挑戰。相比傳統的思維來說，新的思維要求擴大研究的范圍，這也就需要不斷地改進有限元方法。

目前市場上有各種有限元軟件，其中包括NASTRAN、ABAQUS、ANSYS、ALGOR、ADINA等。在選擇有限元軟件時，要考慮到各種因素的制約，比如程序本身的功能、前處理和后處理的能力、計算機的容量和速度、用戶的工作需要等。

一般來說，現場施工時具備三個特點：地質不穩定、巷道掘進比較快速與必須有支護服務，所以依據這三個特點，通常用ANSYS這款軟件。這款軟件擁有獨立的語言系統（APDL），使用者可以獨立的操作編程。這款語言系統擁有普通計算機的語言功能，包括條件、循環和賦值語句等，操作者可以通過變量建立模型。這款語言系統（APDL）結合ANSYS給出的大量宏指令，將采礦過程中的自動化分析和研究提上日程。

參照現在比較典型的設計方法，我們可以利用工具預先設立二維和三維的通用化空間立體模型。通用化的定義：當需要設計時，我們可以在輸入提示窗口輸入一些數值，確定模型的相關變量，包括采礦深度、巖石的力學性質等，最終就會得到我們想要的一些模型。通用化的出現給限元建模創造了無限可能，使得建模過程方便快捷。

2.3設計步驟

錨桿類型多種多樣，每種類型都有自己的適用條件（應力狀況、頂板巖性、技術條件、成本因素等）。除了一般錨桿類型外，還有用于二次支護的主動和被動型的錨索（以鋼絞線為材質），主動和被動型的頂板系統（分別以鋼材和鋼絞線為材質的載荷連續傳遞的系統、兩根普通斜錨桿和水平拉桿結合的并且荷載互相獨立的系統）。

研究表明，提高頂板穩定性最經濟有效的手段就是改變錨桿的預應力。這也就使得預應力的設計成為頂板穩定性設計的重要部分，以下是具體的設計步驟：

（1）通過三維有限元模型來明確巷道的應力情況。

針對這種模型，我們有以下幾個重要的設計參數：夾角（度）、深度、最大最小水平應力（σ■、σ■）、關于圖面的一些幾何尺寸（如煤柱、采空區等）。

（2）大模型完成之后，可以針對特定的部分區域進行專門分析，分割出來的模型就稱為子模型。

大模型完成之后會自動輸出子模型的邊界條件，并且將之附加在子模型上。只要選擇合適的子模型邊界，我們就可以在子模型中分析錨桿的單元問題，能夠這樣做的原因就是錨桿所影響到的應力范圍是有限的，這也避免我們從大模型中做非線性分析。

主要的子模型參數有：錨桿預拉力、錨桿直徑、錨桿長度、巖石層理面的力學性質、錨桿的間距。

以上的錨桿間距并不會作為我們考慮的主要參數，原因就在于它對梁頂板的剛性不會有太大的決定作用，通常采用1.2m×1.2m的布置，這是美國50多年錨桿支護的經驗。因此，模型輸入時的錨桿間距初選值也用1.2m。但排間距可能要根據計算后得出的所需預拉力進行調整，比如所需預拉力為10t，技術上可達到的最大預拉力為5t，那么錨桿排間距要縮小到0.6m?！皠傂浴绷喉敯?，是保證大錨桿間距的基礎。

2.4評判標準

水平地應力會給層狀的巖體一定的作用力，導致頂部和底部的巖層比較容易被損壞，結果就是巖層發生分離，可是一旦頂部的巖層分離后，其受壓能力就會突然下降，支護效果受到影響的同時，會影響到一系列的安全問題，所以巷道穩定性的檢驗標準就是頂板的分離狀態。通常我們將離層這一因素作為主要的考慮對象，所以能夠將它們結合，考慮錨桿支護參數時，常常將錨桿預拉力考慮進來，立足于頂板離層研究和計算，最終得到的方案中，巷道冒頂事故的概率極小。特別指出，在巖性有差別和支護條件有差異，所以將圍巖形變量定為判定標準不實際的，完全問題得不到保障。

工程上支護是不是符合標準的判斷依據是頂板預應力的形成，厚度與承載力決定了巷道是否合格，如何設計支護結構和預拉力的數值，決定了預應力結構的厚度與承載力，以上標準都必須結合實際考慮。

參考文獻：

[1]何滿潮，袁和生，靖洪文，王方榮，景海河.中國錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.

[2]賈金河.煤巷錨桿支護設計與監測軟件的開發及應用研究[J].煤礦開采，2004（1）.

[3]侯朝炯，郭勵生，勾攀峰.煤巷錨桿支護[M].徐州：中國礦業大學出版社，1999.