超預應力錨桿支護實驗研究

張曉偉

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

引言

隨著開采深度的增加，高應力巷道的支護問題越來越突出。軟巖發生了長期變形；頂板倒塌事故時有發生；巖體損傷速率加快[1-2]。與邊坡和水利工程相比，煤礦支護的典型特點是錨桿長度較短，施工速度較快，施工空間較小。因此，其他領域的高預應力技術在煤礦的應用受到了極大的限制[3]。

為了解決黏結強度不足的問題，近年來出現了許多新型錨固材料。同時，有專家對錨桿端部受力結構進行了改進，以取代傳統的黏結錨固[4]，并對新型錐形錨的力學性能進行了研究和優化，同時也對一些適用于特殊錨固結構的鉆具進行了研究。

優化支護參數對保障頂板安全、節約經濟成本至關重要。錨桿支護是目前全球普遍采用的保障煤礦巷道安全的主要方式。錨桿支護參數的研究方法包括理論分析、數值模擬、現場試驗和物理模型試驗。隨著類似材料和測量技術的發展，可利用物理實驗室模型研究巖土工程中復雜支護結構等諸多問題，揭示可控影響因素對災難性工程的影響[5]。

1 物理模型試驗方案的設計和說明

1.1 物理模型設計

如圖1所示，所設計的測試系統由框架模型和監控系統組成。適合機架的最大型號尺寸為2 500 mm×1 400 mm×200 mm；其中，在物理模型中設計了相似的1、2、3號巷道。三巷道尺寸相同，寬度為270 mm，高度為160 mm，厚度為200 mm。此外，該模型的監控系統包括氣壓加載系統和高速攝像機。通過對變形前后兩幅圖像的相同像素點進行跟蹤，獲得了1 280*720像素的分辨率和每秒2張照片的速度來捕獲變形圖像。位移監測點布置在模型外表面，在巷道頂板共布置4排監測點，每排33個。根據煤礦的地質、工程條件，設計并簡化了物理模型。

圖1 測試系統模型示意圖

1.2 超級錨桿支護方案及其比較方案

設計了三種不同的支護方案，對比方案1、方案2和超級錨桿方案，超級錨桿支護方案布置在物理模型3巷道，1、2巷道分別布置兩種對比方案1、2。方案1由12個長度為220 mm的長錨桿等間隔布置在巷道頂板，所有錨桿的預應力設計值均為1 kgf，以1 kgf模擬實際巷道中200 kN。方案2由18個長度110 mm的短錨桿組成，短錨桿在巷道頂板等距布置，所有錨桿預應力設計值均為0.2 kgf，采用1 kgf模擬實際巷道40 kN。超級錨桿支護方案由2個350 mm的超級錨桿支護和4個180 mm的長錨等間隔布置在3號巷道頂板，超級錨桿和其他錨桿預應力設計值分別為7.65 kgf和0.6 kgf，采用7.65 kgf和0.6 kgf分別模擬實際巷道1 500 kN和120 kN。此外，這三種方案分別使用鋼網來匹配類似的錨。

1.3 類似預應力錨桿的設計

設計并選擇了幾種裝置，模擬上述預應力錨桿支護方案。這些設備包括道路預埋模具、類似的錨、預應力彈簧、預應力螺母和類似的托盤。如圖2所示，根據錨桿需要施加的預應力量，選擇合適的彈簧參數。

圖2 裝置模擬圍巖預應力錨桿支護

選擇了類似的彈簧材料，在本次抗拉強度試驗中，用M4的銅螺釘代替超級錨；用M2鋼螺釘代替長錨；短錨改為M2鋼銅螺釘。

為了便于本文的介紹，本文規定了以下三個概念：

超級錨桿是指在采礦工程中，通過改進材料或增大錨桿直徑或改變錨桿結構，將斷裂載荷提升更高的一種較長的、強度較高的錨桿。

超級預應力是指在采礦工程中使用超級錨桿將預應力提升的一種更高的預應力。

超預應力錨桿支護是指在采礦工程中采用超級錨桿并施加超預應力的高強度支護方法。

2 實驗結果和分析

2.1 頂板破壞演化過程

三種不同方案的頂板進行了不同的破壞過程。為了模擬原始巖石應力，試驗首先對相似模型施加0.05 MPa的荷載30 min，在此期間三種方案頂板均未發現裂縫。隨后，施加的載荷在0.5 s內瞬間從0.05 MPa增加到0.10 MPa。此時，三個方案的屋頂顯示了戲劇性的變形。對比方案1頂板在巷道1中產生一條小的縱向裂縫。對比方案2頂板在巷道2中產生了2條較大的縱向裂縫和1條橫向裂縫。對于超級錨桿支護方案頂板，3號巷道未出現裂縫。在0.5 s內，加載載荷瞬間從0.10 MPa增加到0.15 MPa。在此過程中，2巷發生了嚴重的頂板塌落事故，塌落軌跡與前頂板縱向裂隙位置一致。此外，在巷道中出現了無數新的裂縫，它的頂部顯示出嚴重的損壞。與巷道1相比，巷道3的破壞并不明顯，只產生了3條裂縫。連續施加0.15 MPa載荷4 s后，1號巷道并未繼續出現明顯破壞。原因之一是試驗所用的氣壓千斤頂（APJ）自身極限伸縮長度已達10 cm，無法繼續為巷道1提供足夠的載荷。然而，3號巷道繼續遭受破壞，直到APJ達到自己的極限伸縮長度。頂板被強行破壞后，由于頂板的松散變形，錨桿預應力急劇下降，削弱了超級錨桿的支護能力，進一步加劇了頂板的劣化。最后，巷道3的破壞程度與巷道1相同。

模型試驗完成后，三個屋面的破碎形狀表現出不同的特征，如圖3所示。從視覺上看，1號巷道破壞范圍大（586 mm），3號巷道破壞范圍小（395 mm）；在錨桿末端，由于預應力集中程度較高，裂縫開度較大，裂縫長度較大。

圖3 測試40 min后整體失效模型

2.2 實驗對比分析

對比方案1和方案2屬于傳統的均布錨桿支護方式，而超級錨桿支護方案3是一種強調在巷道中部使用超預應力錨桿的特殊非均布支護方式。上述物理模型試驗對三種方案進行了比較；結果表明：在特定階段，超級錨桿支護方案的承載力高于對比方案1和2，頂板破壞范圍小于對比方案1和2。值得注意的是，超級錨桿支護方案的錨桿數僅為對比方案1的1/2倍，僅為對比方案2的1/3倍。原因是錨桿預應力起著關鍵作用，有助于提高錨桿支護的承載能力。采用超大型錨桿可以在不削弱支護效果的前提下擴大錨桿間距，減少錨桿數量，有利于優化頂板支護參數。然而，研究超預應力錨桿的主要目的不是減少錨桿數量，而是解決巷道支護困難的難題。

在物理模型試驗中，超級錨桿支護方案頂板損傷范圍小于高預應力長錨支護方案頂板損傷范圍。但錨桿尾端存在較大的應力集中和明顯的大開裂，會對頂板產生危害。此外，超級錨桿頂板的預變形位移小于高預應力長錨桿頂板預變形位移。當頂板發生強震破壞時，由于頂板的松散變形和破壞，使超級錨桿支護的預應力大大降低，大大削弱了超級錨桿支護的承載能力。結果表明，超級錨桿支護的變形得到了強化，且最終的強化變形幾乎與對比方案1相同或更大。

3 結論

本文主要通過物理模型試驗研究超預應力錨桿（方案3）的支護效果。通過數值計算結果揭示了不同方案下物理模型破壞模式不同的原因。得出以下結論：

1）采用超級錨桿，并在頂板中心施加超預應力，可顯著改善圍巖應力分布。施加超預應力后，超級錨桿支護端部在支護過程中會產生明顯的應力集中，容易導致超級錨桿支護端部頂板分離開裂。試驗中，方案2頂板首先出現裂縫，方案1出現裂縫，方案3（超級錨桿方案）結束。因此，超級錨桿方案（方案3）比方案1和方案2具有更高的承載力，方案1比方案2具有更高的承載力。

2）超級錨桿支護方案（方案3）的變形過程可分為兩個階段。第一階段為緩慢變形階段；此時錨桿的超預應力起著重要的支護作用，方案3的位移變化率小于方案1。第二階段為變形加速度階段；此時，由于頂板變形，超預應力在支護中的作用減弱，方案3的位移變化率大于方案1。