全斷面高預應力短錨索支護強烈動壓影響極破碎圍巖的研究與實踐

藺蘇平，王子越（.山西煤炭運銷集團保安煤業有限公司，山西 陽泉 045000；.煤炭科學研究總院 開采設計研究分院，北京 0003）

全斷面高預應力短錨索支護強烈動壓影響極破碎圍巖的研究與實踐

藺蘇平1，王子越2
（1.山西煤炭運銷集團保安煤業有限公司，山西 陽泉 045000；2.煤炭科學研究總院 開采設計研究分院，北京 100013）

通過理論分析和數值模擬等方法分析了錨索長度對支護效果的影響，指出隨著錨索長度的增加，錨索形成的預應力場覆蓋范圍減小，支護系統的剛度減小。根據分析結果，制定了全斷面高預應力短錨索支護方案，并在保安礦15106補進風巷進行試驗，礦壓監測結果表明巷道圍巖變形得到有效控制，全斷面高預應力短錨索支護效果較好。

高預應力；短錨索；圍巖支護；極破碎圍巖；強烈動壓

小孔徑預應力樹脂錨索具有錨固力大、錨固長度長、可施加預應力大、支護速度快等優點，在煤礦巷道支護中得到了廣泛應用[1-4]。尤其全斷面錨索支護為復雜困難巷道支護提供了強有力的支護手段。錨索支護機理也從傳統的懸吊理論發展為錨索可以施加較大預緊力，對圍巖施加壓應力，與錨桿形成的壓應力區形成骨架網狀結構，主動支護圍巖[5-6]。然而，受傳統觀念的影響，錨索設計長度往往偏長，個別礦區錨索長度甚至達到18 m。長錨索施工困難，極大影響支護速度，且成本較高。在煤礦經營困難的形勢下，本著降本增效的原則，在保安礦15106補進風巷進行了全斷面高預應力短錨索支護試驗，通過理論計算和數值模擬分析了錨索長度與支護效果的關系。實踐證明，在保證高預應力的條件下，全斷面高預應力短錨索在極破碎圍巖強烈動壓影響巷道支護中效果較好。

1　不同長度錨索支護效果分析

1.1剛度分析

若錨索自由段內節理面張開位移為δn，見圖1，則錨索提供的變形抗力可由下式[7]計算：

式中：σk為變形抗力，MPa；D為節理面距錨桿托盤軸向距離，m；L為錨索長度，m；E為錨索彈性模量，MPa；y為節理面點與錨索距離，m。

圖1　錨索支護示意圖

以長10 m和5 m的錨索進行對比分析，由上式可知，當節理面張開位移相同時，長5 m的錨索提供的變形抗力是長10 m的兩倍。因此，隨著錨索長度的縮短，錨索對支護范圍內節理裂隙施加的變形抗力增大，支護體系剛度隨之增大。

1.2預應力場分析

采用數值模擬軟件FLAC3D對不同長度錨索的預應力場進行模擬，錨索長度分別為4 m、5 m、6 m、8 m、10 m。錨索預緊力統一設定為200 kN，錨固長度為1 400 mm。模擬結果見圖2。

圖2　不同長度錨索預應力場圖

分析模擬結果可知，4 m長錨索預應力場完整覆蓋了錨索支護范圍，對圍巖施加了有效壓應力，主動支護效果好；5 m、6 m長錨索預應力場也基本覆蓋了錨索支護范圍，可實現對圍巖的主動支護；8 m、10 m長錨索預應力場未覆蓋錨索支護范圍，在錨固段和托盤中間出現大面積無預應力部位，且預應力較低，主動支護效果差。因此，隨著錨索長度的增加，錨索預應力場覆蓋范圍減小，主動支護效果減弱。

由剛度和預應力場分析可知，隨著錨索長度的增加，支護體系的剛度減小，主動支護效果減弱。因此，錨索不宜過長。

2　工程實踐

2.1工程概況

保安礦15號煤層的平均厚度為4 m，煤層結構簡單，煤質疏松，節理裂隙發育。由于煤層具有較高沖擊傾向性，掘進之前需布置防突鉆孔，致使巷道周圍8 m范圍內煤體基本喪失完整性，內有明顯空洞，見圖3。

圖3　 煤幫窺視圖

巷道直接頂為石灰巖，平均厚度為2 m，內部富含方解石脈，易在方解石脈處發生離層、錯動；老頂為5.5 m~8.8 m厚的砂質泥巖，較為完整。頂板結構見圖4。

圖4　頂板結構圖

由于采掘時間銜接較為緊張，15106補進風巷在相鄰15104工作面回采時即進行掘進，其間隔煤柱寬度為24 m。后因掘進期間瓦斯涌出量較高，為保證供風，在小煤柱內以炮掘方式掘進寬4 m、高4 m的配風巷，以構成U型通風系統。15106補進風巷與配風巷之間凈煤柱寬度僅為7 m，其掘進期間受到15104工作面回采、15106配風巷掘進兩次強烈采動影響，其巷道布置平面圖見圖5。故15106補進風巷為典型的極破碎圍巖強烈動壓影響巷道，支護難度較大。

圖5　巷道布置平面圖

2.2支護設計

根據前述錨索長度與支護效果的理論、數值模擬分析，確定全斷面高預應力短錨索支護方案如下。

支護規格見圖6，頂幫錨索均為1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，直徑22 mm。頂錨索長5.3 m，每排5根，間距900 mm，排距900 mm。幫錨索長度4.3 m，每幫每排4根，間距1 100 mm，排距900 mm。錨索尾部采用配套的高強度鎖具。錨索托板規格為300 mm×300 mm×16 mm的高強度可調心拱形大托板，承載力與錨索的索體一致，不低于600 kN。頂幫錨索均采用1支MSK2330和2支MSZ2360樹脂藥卷進行錨固，錨固長度1 900 mm。要求頂錨索初始預緊力大于250 kN，幫錨索初始預緊力大于150 kN。施工過程中特別注意施加合適的錨索預緊力。

圖6　 支護規格圖

3　支護效果分析

為了對巷道支護效果進行監測，在15106補進風巷布置多組綜合測站，采用十字布點法對巷道表面位移進行監測，使用連續在線監測錨索測力計對錨索受力情況進行監測。3.1巷道表面位移

15106補進風巷道表面位移監測曲線見圖7，分析位移變化曲線可知，巷道開掘初期位移發展較快，隨著掘進工作面的推進，巷道逐漸趨于穩定，巷道掘進25 d之后，變形基本不再發展。巷道頂板最大下沉量為82 mm，底鼓量為204 mm，煤柱側幫移近量為280 mm，實體煤側幫移近量為160 mm。巷道頂板變形得到有效控制，支護效果較好，兩幫移近量較大。

圖7　巷道表面位移監測曲線

3.2錨索受力監測

圖8為錨索受力監測圖，分析可知一號、二號幫錨索預緊力較小，后期受力有較大增加，六號幫錨索未有效錨固，七號幫錨索受力急劇增加后脫錨，說明兩幫煤體破碎疏松，幫錨索難以施加較高預緊力，初期支護剛度較小，不能有效控制兩幫煤體破壞[8]，后期錨索受力明顯增大。頂錨索最終穩定工作載荷與初期受力相差不大，說明頂錨索預緊力較高，支護剛度大，支護范圍內頂板圍巖保持穩定，變形和破壞得到有效控制。

圖8　錨索受力監測圖

4　結束語

1）隨著錨索長度的增加，錨索預應力場逐漸無法擴散覆蓋整個錨索支護范圍，錨索的主動支護效果減弱，支護體系的剛度減小，因此，錨索不宜過長。

2）保安礦15106補進風巷直接頂的灰巖內部方解石脈十分發育，煤體經防突卸壓孔破壞后喪失完整性，且受到多次動壓擾動，應力重新分布疊加，導致圍巖發生大面積塑性破壞，屬于典型的強烈動壓影響極破碎圍巖，支護難度較大。

3）確定全斷面高預緊力短錨索支護方案并實施于井下。礦壓監測結果表明，全斷面高預緊力短錨索支護顯著提高了巷道圍巖完整性及穩定性，支護效果較好，且短錨索施工方便、成本較低，為強烈動壓影響極破碎圍巖提供了有效、快速、經濟的支護措施。

[1]康紅普,林健,張冰川.小孔徑預應力錨索加固困難巷道的研究與實踐[J].巖土力學與工程學報,2003,22(3):387-390.

[2]林健,趙英利,吳擁政,等.松軟破碎小煤體小煤柱護巷高預緊力強力錨桿錨索支護研究與應用[J].煤礦開采,2007,12(3):47-50.

[3]王成明,鞠文君.錨索補強加固技術的應用[J].煤礦開采,2001(4):55-59.

[4]馮京波.松散厚煤層全煤巷沿空掘巷錨索支護技術[J].煤炭科學技術,2008,36(2):23-26.

[5]康紅普,王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京:煤炭工業出版社,2007.

[6]褚曉威.小孔徑預應力錨索預應力損失機理及試驗研究[D].北京:煤炭科學研究總院,2010.

[7]王子越.樹脂錨桿錨固質量和桿體變形特征研究[D].北京:煤炭科學研究總院,2014.

[8]康紅普.煤巷錨桿支護成套技術研究與實踐[J].巖石力學與工程學報,2005,24(21):3959-3964.

（編輯：李森森）

Effect of Strong Dynamic Pressure on Extremely Fractured
Surrounding Rock with Full Cross-sectional and High Pre-stressed Short Anchor Support

LIN Suping1，WANG Ziyue2
(1.Bao'an Coal Co.,Ltd.,Shanxi Coal Transportation&Sales Group,Yangquan 045000,China; (2.Mining Designing Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

Theoretical analysis and numerical simulation were used to study the effect of anchor length on supporting and draw the conclusion that,with the length increase,both the coverage of pre-stress field and rigidity of the supporting system decease.According to the research results,a supporting plan with full cross-sectional and high pre-stressed short anchor was established and was tested in No.15106 intake airway in Bao'an Mine.Mine pressure observation shows that the deformation of surrounding rock has been effectively controlled and the effect of the support is better.

high pre-stress;short anchor;surrounding rock support;extremely fractured surrounding rock;strong dynamic pressure

TD353.6

A

1672-5050（2016）02-0029-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.009

2015-12-14

藺蘇平(1983-)，男，山西陽泉人，大學本科，助理工程師，從事巷道支護的管理工作。