深部煤礦巷道錨桿錨索聯合支護的實驗研究

柴銀亮

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 太原 030000）

引言

隨著開采深度的不斷增加，大量采煤問題躍然而出。深度加大，圍巖的自重同樣增大，而巖石的力學性質將會有一定的減弱，圍巖破碎造成巷道嚴重變形，這無疑會加大巷道的維護成本。為了解決深部巷道變形嚴重的問題，眾多國內學者對此進行了研究。李金奎[1]為了解決巷道頂板出現冒頂及離層問題，提出了使用全錨索一次性支護的方案對頂板進行支護，通過后期驗證發現，全錨索一次性支護對頂板的支護效果明顯，為深部巷道頂板支護做出一定的參考。安將文[2]通過分析深部巷道圍巖的變形情況，給出了深部巷道的支護方案，并通過現場監測得到了支護前后圍巖的變形情況，發現支護后圍巖的穩定性得到了極大的改善。賈穩宏[3]針對深部巷道變形嚴重的問題，提出了預應力中空注漿錨桿+柔性TECCO 網+ 注漿耦合支護技術對頂板進行支護，支護后有效地控制了巷道變形，降低了巷道維護成本。黃耀光[4]討論了深部巷道處于圍巖塑性破壞區注漿加固技術。通過COMSOL 數值模擬軟件研究注漿程度對支護的影響，研究發現注漿可以改善圍巖破碎區形態及位置，為巷道的支護提供參考。本文通過理論計算與數值模擬相結合的方法對深部巷道圍巖的支護作出了一定的研究，為深部煤層開采巷道支護提供一定的借鑒。

1 錨桿錨索作用機理

深部巷道錨桿支護常用構件有托板、鋼帶、錨固劑、錨桿等，錨桿通過預緊力將各部件進行連接，以此來達到控制圍巖變形、加強圍巖及頂板的承載能力。錨桿是錨桿支護中最為核心的部分，從其受力角度可以得出桿件主要發揮抗剪及抗拉作用。桿件既能提升巖體的穩定性，也能防止巖層間的錯動。錨桿桿件作用示意圖如圖1 所示。

圖1 桿件作用示意圖

圍巖的穩定性一般包括了圍巖結構、強度及應力，為了提升深井圍巖的強度，適當地對煤巖進行錨固是十分必要的。圍巖強度可以表示為：

式中：σ1與σ3分別為巖石強度和圍巖強度，MPa；φ為內摩擦角，（°）；C巖石黏結力，MPa。

預應力即為錨桿對圍巖的預緊力，通過錨桿構件之間的耦合將預緊力作用于圍巖中，以此來達到提升圍巖穩定性的目的。錨桿給予巖層間抗拉及抗剪切力分別可以表示為：

式中：p0為錨桿的預緊力，MN；d為錨桿的直徑，mm；τ 為錨桿的抗剪強度，MPa；n為每排錨桿數；aτ為錨桿的排距，m；f為巖層的摩擦系數；B為深部巷道的寬度，m。

錨索支護是靠著彎曲柔性鋼絞線進行支護，這種支護方式一般具有錨固深度大且預緊力較大等優點。一般來說錨索支護的支護強度要高于普通錨桿支護的強度。錨索在支護頂板時起到懸吊的作用，通過錨索將頂板進行連接增加其整體的穩定性。

錨桿錨索聯合支護可以最大限度進行支護，在我國許多礦山多采用錨桿錨索聯合支護的方法，這樣可以將錨桿和錨索的作用力有效地結合形成承載拱，其支護原理圖如圖2 所示。

圖2 錨桿錨索聯合支護示意圖

2 支護數值模擬

為了驗證錨桿錨索聯合支護的效果，本文利用數值模擬軟件對未經過支護巷道的變形量與經過錨桿錨索支護后的巷道變形量進行分析，首先對模型進行建模。

根據實際地質資料建立長度和高度分別為200 m和8 m，沿巷道掘進方向75 m 的三維模型，對模型進行網格劃分，在網格劃分時，充分考慮網格劃分的必要性，避免浪費時間，所有在不影響模擬精度的前提下進行網格劃分，模型共包括了630597 節點和56.8 萬個單元。完成網格劃分后，按照地質條件對模型進行物理參數設定，設定完成后，對模型進行約束及載荷的設置，在模型的上邊界設定17 MPa 的壓應力，側壓系數為1.05。限制模型水平方向的移動。分別設定方案一未經過支護，方案二采用錨桿錨索聯合支護，其中方案二中支護參數分別設定為：錨桿間排距為0.8 m×0.8 m；頂錨索的間排距為1.5 m×1.6 m；幫錨索間排距為0.9 m×0.8 m；錨桿長度為3 m，直徑為20 mm，預應力為100 kN；幫錨索的長度為4 m，直徑為19.8 mm，預緊力為180 kN；頂錨索的長度為6.2 m，直徑為21.8 mm，預緊力為220 kN。

圖3 圍巖垂直應力（Pa）分布云圖

圖4 圍巖垂直位移（m）分布云圖

圖3 為掘進過程中巷道圍巖垂直應力分布圖，從圖中可以看出，未經支護尾牙和聯合支護圍巖均出現應力集中的現象，同時由于巷道的布置為非對稱分布，所以應力云圖也呈現出非對稱分布的趨勢。巷道最大垂直應力出現偏向巷道右幫的位置。在巷道的四角位置出現應力集中現象，可以看出巷道的四角為巷道支護的薄弱點，所以應當加以重視。經過錨桿錨索聯合支護后，相較于未經支護的頂底板及其兩幫的應力均有所改善，垂直應力峰值都有所降低。此外隨著兩幫的支護強度及支護的深度增加，應力出現的峰值位置會逐步向巷道的兩側進行移動，所以支護能夠改善圍巖的應力環境。經過錨桿錨索聯合支護后，應力峰值較未經過支護的峰值降低了14.3%，同時應力峰值出現的位置較未經支護峰值出現的位置偏移了1.17 m。可以看出采用錨索錨桿聯合支護對深部巷道的圍巖支護效果極佳。

圖4 為巷道掘進過程中圍巖垂直位移分布云圖，圖4-1 中可以看出，巷道未經支護時，頂板及點的最大位移量都偏向深部巷道的右幫方向。采用錨桿錨索聯合支護后底板頂板的位移量明顯減小，但減小的幅度較低，這是由于支護對回填底板的控制效果較低。根據對其單點的變形量進行研究發現，未經支護的巷道左幫最大位移量出現在左幫腰線的上端部，最大的位移量為108.44 mm，同樣的右幫的最大位移量出現在右幫腰線上端部, 最大位移量為119.43 mm。對巷道進行錨桿錨索支護后左幫最大位移量出現在左幫腰線的上端部距離腰部，最大的位移量為45.12 mm，同樣的右幫的最大位移量出現在右幫腰線上端部，最大位移量為44.98 mm。對比發現未經過支護的巷道兩幫最大的位移量為227.84 mm，經過聯合支護后兩幫的總位移量為90.1 mm，降低了60%。所以錨桿錨索聯合支護可以有效地改善圍巖的應力環境，并提升礦山的安全性[5]。

3 結論

1）通過對錨桿錨索作用機理進行研究，給出了錨桿及錨索對深部巷道圍巖的作用機理，并給出了預緊力的計算方法。

2）利用FLAC-3D 數值模擬軟件對未支護及錨桿錨索聯合支護的巷道圍巖垂直應力進行分析，得出經過錨桿錨索聯合支護后應力峰值較未經過支護的峰值降低了14.3%，同時應力峰值出現的位置較未經支護峰值出現的位置偏移了1.17 m。

3）通過對巷道圍巖位移量進行分析，發現未經過支護的巷道兩幫最大的位移量為227.84 mm，經過聯合支護后兩幫的總位移量為90.1 mm。