預應力連續性圍巖控制技術研究與應用

萬 峰，汪占領，張洪清，范明建，閆壽慶，郭罡業

（1.扎賚諾爾煤業有限責任公司，內蒙古滿洲里 021410；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；3.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013）

隨著煤炭資源的不斷開采，巷道所處地質條件日趨復雜，圍巖大變形控制技術研究一直是研究的焦點[1-2]。目前，錨桿支護已經被廣泛應用于巷道支護中。錨桿預應力對圍巖控制具有重要意義，當預應力小于某一定值時可能導致事故的發生[3]。基于等應變假設，Chen 等人建立了錨索的預應力變化預測模型[4]；Liu 等研究了預拉力和圍巖變形作用下錨索錨固段的受力機制[5]；Wang 等人認為隨著巖石強度的降低，高預應力錨桿中性點的位置向圍巖深處移動[6]；Chong 等人研究了預應力對圍巖的控制效果[7]；Wang 等人認為錨固長度和預緊力是圍巖控制的主要影響因素[8]；張農等人提出煤巷連續梁控頂理論，在保障圍巖穩定的條件下，實現鄂爾多斯礦區巷道月進尺超1 000 m[9]；康紅普等人分析了錨桿支護參數對錨桿預應力引起的應力場-錨桿預應力場的影響，研究了錨桿托盤的圍巖控制效果[10-11]；劉家成等人采用數值模擬研究了全長錨固預應力的傳遞規律[12]；劉文偉、劉錦榮等人在大斷面巷道采用高預應力錨桿（索）支護起到了良好的圍巖控制效果[13-14]；王曉卿等人用數值模擬分析了黏結剛度對預應力錨桿支護效果的影響[15]；黎海濱等人研究了錨桿安裝角對錨固效果的影響[16]；宋洋、劉泉聲等對節理巖體下錨桿預應力損失及錨固作用進行了研究[17-18]，張進鵬、支光輝等對預應力錨桿下注漿圍巖控制技術進行了研究[19-20]。上述文獻可以看出，預應力錨桿支護對圍巖控制具有重要作用，但對于錨桿及輔助構件聯合作用下應力場的連續性圍巖控制技術缺乏深入研究。為此，以靈東礦北翼Ⅱ2-1 煤五面回風巷為工程背景，通過理論分析了錨桿預應力在圍巖中的傳遞機理，基于預應力連續性理論通過數值模擬得出圍巖控制方案。

1 工程概況

北翼五面煤巷埋深325～335 m，設計北翼五面回風巷長度3 133 m，煤層平均厚度16 m，平均傾角為2.5°。現場原位實測表明巷道幫部10 m 范圍內煤體平均單軸抗壓強度14.64 MPa，頂板10 m 范圍內全部為Ⅱ2-1 煤，平均頂板煤體單軸抗壓強度15.47 MPa。

回風巷布置在Ⅱ2-1 煤中，平均留底煤與頂煤分別為1 m 與10 m 左右，斷面為5.5 m×4.5 m 的直墻小弧拱形，巷道墻高為3.0 m，采用錨網梁索聯合支護，具體支護方案如下。

采用規格為φ18 mm×L2.1 m 的左旋等強螺紋鋼錨桿，間排距為0.8 m×1.0 m，每根錨桿配2 支K2350 錨固劑。錨索規格為φ15.24 mm×L6.3 m 的鋼絞線，間排距為1.4 m×3.0 m，每根錨索采用4 支K2350 錨固劑。采用直徑分別為12 mm 和5 mm 的鋼筋梁和鋼筋網進行護表。錨桿和錨索的設計預緊力分別30 kN 和120 kN。

原支護段的巷道圍巖變形破壞嚴重，頂板下沉量在325 mm 左右，兩幫移近量在900 mm 左右，底鼓量在1 000 mm 左右。針對上述情況，主要進行預應力連續性圍巖控制技術研究。

2 預應力場連續性研究

2.1 錨桿預應力在圍巖中的傳遞力學模型

假設錨桿托板為邊長2d 的正方形，將錨桿托板對圍巖表面上的應力q 視為均布載荷。以托板1 個角點為坐標原點，可以用三維坐標表示圍巖內部任意點的位置。基于弗洛林的土力學原理[21]，圍巖內部任意點M（x，y，z）的垂直應力可以表示為：

式中：σz1為錨桿托板在圍巖中形成的垂直應力，MPa；q 為錨桿托板對圍巖表面的均布載荷，kN；d 為托板邊長的一半，m；ζ、η 分別為力作用于托板表面的x 和y 坐標。

R Mindlin 模型主要用于解決集中載荷在彈性介質中傳遞問題[21]。取錨桿錨固段微元長度dω，對應的集中力荷載大小dp′=2πbτ（ω）dω，b 為錨桿半徑，m；τ（ω）為錨固段剪應力，MPa。圍巖中任意點的應力可以通過R Mindlin 模型求解。

錨桿體剪切應力在圍巖中的垂直應力可表示為：

根據式（1）和式（2），錨桿預應力在圍巖任意點處形成的壓應力σ 可以表示為：

2.2 數值模擬

以靈東礦Ⅱ2-1 煤圍巖條件為基礎，基于預應力連續圍巖控制技術，采用FLAC3D數值模擬軟件進行數值模擬，選擇最佳錨桿間排距和預緊力。巖層模型用莫爾庫倫準則，模型長×寬×高=100 m×40 m×70 m。共建立834 344 個網格單元，881 722 個網格節點，通過前后初始化位移和應力清零，消除模型本身的應力和位移迭代影響。模型建立過程中用到的巖石力學參數見表1。

表1 模型力學參數Table 1 Model mechanical parameters

模擬錨桿規格為φ20×2 100 mm，將錨桿劃分為21 節，其中第15～第21 節為錨固段，第1～第14 節為自由段。模擬錨桿間距為900 m 時，預緊力分別為80、100、120、150 kN 時的應力分布。不同預緊力下圍巖應力分布特征如圖1。

從圖1 中可以看出，隨著預緊力的增大，錨桿作用范圍不斷增大。當預緊力為80 kN 時，錨桿間預應力還未相互交錯。當預緊力達到100 kN 時，錨桿間的預應力已經相互疊加，即實現了連續預應力。

圖1 不同預緊力下圍巖應力分布特征Fig.1 Stress distribution characteristics of surrounding rock under different preloads

鋼帶具有較強的護表作用，且可促進預應力擴散。為研究M5 型鋼帶的預應力傳遞效應。設計模擬φ20 ×2 100 mm 錨桿，間排距900 mm×900 mm，預緊力100 kN 下有無鋼帶的預應力擴散效應。M5 型鋼帶寬180 mm，厚度5 mm，材質與錨桿相同。有無鋼帶錨桿應力場分布云圖如圖2。

圖2 有無鋼帶錨桿應力場分布云圖Fig.2 Cloud diagrams of stress field distribution of steel strip bolts

由圖2 可知，隨著錨桿鋼帶的出現，圍巖護表面積增加，錨桿預應力開始有效擴散，在圍巖表面附近形成有效的連續應力場，支護應力可以三向及時流動，對連續應力場涵蓋區域內的裂隙及時擠壓，以此增強圍巖整體結構達到圍巖穩定的目的。

上述研究表明提高錨桿預緊力水平與護表構件面積是實現預應力場連續性的有效途徑。依據現場操作可行性與生產經驗，應將錨桿與錨索的預緊力提高至100 kN 以上，并配備護表鋼帶，才具備初步形成錨桿（索）連續性支護應力場。

3 預應力連續場圍巖控制方案

為有效的控制北翼五面回風巷的穩定性，依據上述研究提出了高預緊力強護表“錨桿+錨索+錨桿+鋼帶”的強預應力連續場控制方案，強預應力連續場控制方案如圖3。

圖3 強預應力連續場控制方案Fig.3 Control scheme for continuous field of strong prestress

為減小圍巖暴露面積，同時滿足生產需要，縮小了巷道斷面尺寸。現采用直墻圓弧拱斷面，巷道寬度4.4 m，高4.4 m，墻高2.2 m。

頂板采用屈服強度不小于500 MPa 的φ20 mm×L2 100 mm 左旋高強螺紋鋼錨桿，配K2335 和Z2360 的樹脂錨固劑各1 支。錨桿間排距為900 mm×900 mm，預緊力不小于100 kN。配規格為250 mm×250 mm×10 mm 的高強拱形帶調心球墊的托板，采用直徑φ5 mm 鋼筋網和M5 型鋼帶護表。頂板錨索為φ17.8 mm×L6 300 mm 的鋼絞線，采用1支規格為K2335 和2 支規格為Z2360 的樹脂錨固劑。錨索間排距為2 250 mm×2 700 mm，每排3 根錨索，預緊力不小于120 kN，每3 排錨桿布置1 排錨索，配規格為300 mm×300 mm×12 mm 高強度可調心拱形托板及配套鎖具。

幫部錨桿采用桿體屈服強度不小于500 MPa，規格為φ20 mm×L2 100 mm 左旋高強螺紋鋼錨桿。采用K2335 和Z2360 樹脂錨固劑各1 支。錨桿的間排距為900 mm×900 mm，預緊力不小于100 kN，配規格為250 mm×250 mm×10 mm 的高強拱形帶調心球墊的托板，配直徑為φ5 mm 的鋼筋網和M5型鋼帶護表。

幫部錨索規格為φ17.8 mm×L4 300 mm 的鋼絞線，采用1 支K2335 和2 支Z2360 的樹脂錨固劑。錨索間排距為1 000 mm×2 700 mm，每3 排錨桿布置1排錨索。預緊力不小于120 kN。配規格為300 mm×300 mm×12 mm 高強度可調心拱形托板及配套鎖具。

4 工程應用

將上述方案在北翼五面回風巷進行實踐應用，并采用十字測點法對巷道圍巖變形進行監測，整理其與原支護方案的變形曲線如圖4。

圖4 北翼五面回風巷圍巖變形曲線Fig.4 Deformation curves of surrounding rock in the five-sided air return road in the north wing

由圖4 可知，原支護段頂板下沉量在325 mm左右，兩幫移近量在900 mm 左右，底鼓量在1 000 mm 左右。采用新支護方案后頂板下沉量在69 mm左右，兩幫移近量在98 mm 左右，底鼓量在116 mm左右，分別比原支護方案變形量降低78.8% 、89.1%和88.4%左右，且后期巷道圍巖變形趨于穩定，巷道圍巖變形降低幅度非常顯著。由此證明增強錨桿支護應力場連續性可以有效的控制煤巷的大變形。

5 結 語

1）通過彈性理論建立了錨桿預應力在圍巖中的傳遞力學模型，從理論方面揭示了錨桿預應力作用，為錨桿預應力設計和研究提供了理論依據。

2）在靈車礦巷道圍巖地質條件下，當錨桿間排距為900 mm×900 mm 時，預緊力達到100 kN 時才能實現預應力連續。M5 型鋼帶可以有效擴大錨桿預應力范圍。

3）在合理減小斷面尺寸后，采用“錨桿+錨索+錨網+M5 型鋼帶”強預應力連續場控制方案，使巷道頂板、幫部、底板比原支護方案變形量分別降低78.8% 、89.1%、88.4%左右。