深部煤礦巷道錨固體錨桿協同支護試驗研究

常 桐

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦， 山西 太原 030053）

引言

隨著煤炭開采的不斷增加，深部巷道開采煤炭越來越多，因為深部巷道所受的應力較高，巷道及煤層變形也更加明顯，因此研究深部巷道的變形以及支護有著重要的意義。陳旭光等以淮南礦區丁集煤礦深部巷道工程為研究對象，通過對現場檢測和模型試驗研究，分析了分區破裂現象的主要特征和變化規律，指出分區破裂是與洞室呈同心圓的環狀拉破壞斷裂，為深部巷道圍巖變形破壞機理提供了重要的意義[1]；張建華等以大雁二礦為研究背景，通過設計錨索復合支護技術，成功地實現了三軟煤層支護[2]；張國華等指出了錨桿組合支護作用下巖層變形協調原則，同時給出了錨固錨桿支護中錨桿長度、間距、排距、預緊力4 個關鍵支護技術參數的計算公式[3]；何滿潮等分析了巷道變形、破壞的原理，利用數值模擬對支護方案進行了計算，優化了支護方案和耦合設計[4]。

本文在已有研究的基礎上，對協同作用下錨桿錨固體進行了力學試驗，豐富了深部巷道軟巖協同效應理論和物理力學參數，可供實際工程參考。

1 錨固體錨桿協同效應的研究

目前所研究的煤礦系統通常為開放的系統，系統中包含有大量的子系統，眾多子系統以及構成要素導致系統的復雜性，以往的研究利用具體的函數關系描述各系統的性質，因此巨大的數據庫中包含龐大的微分方程組，大量的計算導致計算出錯率也偏高。《協同學》一書中，在動力學思想的基礎上以絕熱消去原理為依據，在復雜系統中找到起主導作用、支配作用的慢變量，直接忽略快變量對系統的影響，隨后對快變量進行時間的求導，從而得到快變量和慢變量的數學關系式，從數量上來看，慢變量的阻尼系數一般要遠遠小于快變量的阻尼系數，計算結果得到只含有慢變量的演化方程，即序參量方程。

將復雜系統中的復雜問題通過經絕熱消去后可得到簡化后的偏微分方程，龐大的微分方程組簡化為方程量極少的序參量方程，這種將復雜方程簡化為簡單求解的計算方法稱為支配原理。支配原理將復雜問題轉化為簡單問題，提高求解效率的同時將復雜系統簡化為清晰簡單的系統，提高計算的準確率。

對于煤礦巷道圍巖的穩定控制而言，因為巷道與巖層之間不斷的進行能量交換，為開放的系統，大系統下又包含圍巖系統、錨固系統及周圍的環境系統三個互相獨立且又關聯的子系統，形成明顯的協同效應。

本文研究煤礦巷道錨固體錨桿協同支護，以深部巷道軟巖為基礎，軟巖因為巷道在力的傳遞以及疊加上較硬巖效果好，但是因為軟巖的強度小，通過錨桿進行支護的過程中軟巖極易發生破碎，因此不足以支撐錨桿預緊力施加給錨固體的剪應力，本文以石英砂為骨料，將水泥和石膏作為膠結料，通過此配比的模型完成錨桿預緊力與錨固體的協同效應研究，本文中錨桿數量分別為2 根和4 根，不同數量的錨桿在不同預緊力錨固體應力分布不同，通過手電鉆減少安裝過程中錨固體的損傷。

2 根錨桿錨固體鉆裝加載步驟如下：調試計算機，確保計數系統正常，將應變磚接線接入應變測試系統中；分別給錨桿施加8 N·m、16 N·m、24 N·m 的預緊力，采用恒位移加載進行試壓，不同預緊力下間隔1 min 進行數據的采集；單個錨桿完成數據采集后，同時給兩個錨桿施加預緊力，采集數據并保存。

4 根錨桿錨固體鉆裝加載步驟如下：調試計算機，確保計數系統正常，將應變磚接線接入應變測試系統中；分別給錨桿施加8 N·m、16 N·m、24 N·m 的預緊力，采用恒位移加載進行試壓，不同預緊力下間隔1 min 進行數據的采集；單個錨桿完成數據采集后，同時給兩個錨桿施加預緊力，采集數據并保存；兩個錨桿完成數據采集后，同時給三個錨桿施加預緊力，采集數據并保存；三個錨桿完成數據采集后，同時給四個錨桿施加預緊力，采集數據并保存。

試驗過程中利用聲發射系統對試樣的破壞過程進行輔助分析。

2 協同效應下錨固體強度特性的研究

圖1 為不同工況下錨固體應力- 應變與聲發射振鈴計數關系曲線，從圖中可以看出，不同工況下試樣變形破壞差異明顯，未加錨試塊試樣（見圖1-1）在進行單軸壓縮的過程中，試樣變形為整體性破壞，在軸向壓力不斷施加的過程中，聲發射系統有明顯的斷裂聲，試樣表現為一定的脆性，圖1-2 為施加2根錨桿單軸壓縮數據圖，因為鉆孔的影響作用，導致試樣內部有一定程度的裂紋，在預緊力的作用下，因為鉆孔帶來的弱面有一定的承載能力，當軸向壓力不斷增大時，兩根錨桿之間的預緊力發生協同效應，因此，試樣并未發生整體性破壞，破壞后試樣依舊有很大的殘余強度，試樣的塑性得到增強，在破壞過程中裂紋主要沿著錨固體表面向縱向擴展，且軸向應力越大，貫穿現象愈加明顯；圖1-3 為施加4 根錨桿單軸壓縮數據圖，因為鉆孔數量的增加，使得錨固體中裂紋擴展明顯，雖然有預緊力的存在，但是因為錨桿密度過于集中，導致部分區域強度大，在軸壓的持續作用下，出現嚴重的破壞現象，錨固體的整體強度下降明顯。

由此可得，鉆孔對于試樣的完整性存在破壞作用，合理的錨桿密度可以有效地增強試樣抵抗破壞的能力，鉆孔密度過高容易導致試樣強度下降，起不到支護的作用。

聲發射振鈴計數可以有效地表征試樣單軸壓縮中的破壞過程，當試樣達到峰值強度時，破裂面產生，因此，聲發射活動明顯，振鈴計數達到最大值；4根錨桿預緊力作用下試樣的聲發射振鈴計數最大，2根錨桿預緊力次之，未加錨試塊最小，因為鉆孔的原因，導致試樣內部存在大量的裂紋，在軸向壓力的作用下，原始裂紋以及因為鉆孔帶來的裂紋先閉合，隨后產生新增裂紋，因此，聲發射較為活躍，不同的是，2 根錨桿作用下的錨固體在峰值強度后依舊有聲發射現象，表明試樣有很大的承載能力，因此可得，合理的錨桿密度可以有效的提高試樣的承載能力，本實驗中，2 根錨桿可以是最佳選擇。

圖1 不同工況下錨固體應力- 應變與聲發射振鈴計數關系曲線

圖2 錨固體黏聚力與預緊力矩關系曲線

圖2 為錨固體黏聚力與預緊力矩關系曲線，從圖中可以看出，試樣的黏聚力隨預緊力矩的增加呈現先增加后減小的趨勢，錨桿數量為2 時，黏聚力最大增加13.1%，最小增加1.9%；錨桿數量為4 時，黏聚力最大增加42.4%，最小增加4.3%；施加預緊力矩之后，因為協同效用的存在，相互影響的應力影響區疊加形成具有一定承載能能力的承壓拱，因此錨固體的承載能力提高；4 根錨桿預緊力矩作用下的試樣黏聚力最大，可以看出，錨桿密度越大，黏聚力越大，但是并不代表試樣的強度越大，只能說明試樣的強度有所增加，在實際的工程中，應該綜合考慮各種因素，實現支護強度的最大化。

3 結論

通過室內試驗，對深部巷道錨固體錨桿協同支護進行了單軸壓縮試驗，通過對不同錨桿預緊力錨桿密度對協同效應進行研究，從抗壓強度、聲發射特征以及黏聚力等方面分析了錨固體的承載機理與穩定性，得到結論：采用不同預緊力和錨桿密度對錨固體力學性質有不同程度的提升，但過多的錨桿密度會減弱錨固體承載能力及穩定性，錨桿數為2 時的錨固體協同率最大，試樣的承載能力最大。