錨桿錨索聯合支護應用研究

周 瑋

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030000）

引言

煤炭資源是我國主要的能源消耗主題，統計表明，目前煤炭資源在我國一次性能源消耗中所占據的比例已經達到七成以上，且在今后很長一段時間其在我國能源消耗的主導地位不會發生改變。隨著我國開采年限的不斷增加，煤礦開采面臨的地質條件逐步復雜化，所以如何提升礦井開采安全性成為當下熱門的研究對象[1-2]。為了提升巷道的成巷速度，降低采掘壓力，提出錨桿錨索聯合支護技術。錨桿錨索聯合支護技術不僅可以提升采煤與掘進接替效果，同時能夠有效地保證巷道安全、高效開采[3-4]。但目前由于礦井地質條件的不確定性，使得不同礦井的支護方案也大不相同，同時由于我國對錨桿錨索聯合支護技術研究較為缺乏，使我國很多礦井錨桿錨索出現不耦合現象，降低了煤礦的支護效果。所以本文以數值模擬軟件為研究對象，對錨桿錨索聯合支護技術進行一定的研究，為我國礦井支護提供一定的參考與借鑒。

1 模型建立

巷道原支護方案為錨網錨索聯合支護，其中頂部的錨桿采用直徑為20 mm的左旋高強度螺紋錨桿，長度為2 200 mm，布置的間排距為800 mm×800 mm；錨索采用鋼絞線錨索，直徑為17.8 mm、長度為8 400 mm，布置間排距為1 900 mm×3 000 mm。左幫錨桿采用直徑為20 mm的玻璃鋼錨桿，長度為1 800 mm，布置的間排距為750 mm×800 mm；右幫錨桿采用直徑為16mm的普通錨桿，長度為1800mm，布置的間排距為750 mm×800 mm，錨桿支護如圖1所示。

圖1 錨桿支護（單位：mm）

在原有的支護方案下，經過對頂底板進行礦壓監測（監測時間為70 d），可以得出巷道的頂板下沉量和底板變形量分別為44.65 mm、24.01 mm，巷道兩幫移近量為78.2 mm。同時根據對頂板進行離層監測發現，頂板存在離層現象，頂板在水平方向受到的應力為8.59 MPa、在垂直方向受到的應力為17.08 MPa，頂板錨桿的軸向受力為610 MPa，錨索為902 MPa。由此可以看出，巷道圍巖的變形量較大，對于巷道的穩定性及安全性均有著不小的影響，所以對巷道進行支護優化設計是十分必要的。

隨著科技的發展，傳統的支護理論不斷完善，錨桿錨索聯合支護的優點也逐步顯現出來。由于巷道圍巖變形具備很大的變性，所以單靠錨桿來實現圍巖的支護很難，此時通過錨索進行圍巖補強支護可以將巷道的集中應力逐步朝著巷道的深部轉移。錨桿錨索聯合支護的作用機理是當圍巖軟弱破碎時，此時錨桿錨索不是單獨加強，而是能夠互補單獨支護的不足，使得錨桿錨索支護的效果較好地結合，由于軟弱破碎圍巖支護初期圍巖變形大，此時單獨采用一種支護時極易造成支護失效，所以首先通過錨桿的擠壓使得圍巖與錨桿形成錨巖支護體。錨巖支護體具有一定的承載能力，使得圍巖在一定的變形范圍內不會出現失穩現象。隨著圍巖變形量的增大，此時錨巖支護體的穩定性降低，錨索會發生作用，使得錨巖支護體的穩定性得以提升，降低了巷道圍巖的變形量。同時錨桿錨索支護體成功作用，使得圍巖頂板的抗變形能力大幅提升，能夠有效地降低頂板的冒落現象。

為了研究錨桿錨索的支護特性，利用FLAC3D數值模擬軟件對錨桿錨索支護進行研究，首先設定巷道斷面為矩形斷面，斷面的寬高分別為4 500 mm、2 900 mm，巷道的埋深為300 m，模型的長、寬、高分別為40 m、4 m、40 m，網格的尺寸為0.3 m，劃分完成后共有84 320個網格及63 455個節點。根據地質資料將模型分為5層，依次分別為細粒砂巖、泥巖、煤、泥巖、粉砂巖。對模型進行力學參數的設定，完成力學設定后對模型的約束進行設置，對模型的四周施加固定約束，完成約束設定后對錨桿錨索進行設定，巷道的兩幫選用直徑18 mm、長度1 800 mm的玻璃鋼錨桿和直徑、長度相同的普通錨桿，間排距均選定為750 mm×1 800 mm，每支錨桿選定一支Z2360型錨固劑，頂板選定直徑20 mm、長度2 200 mm的高強螺紋錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，錨固劑為每支兩卷，同時頂板布置直徑與長度為17.8 mm×6 000 mm的補強錨索，錨索的間排距為1 900 mm×3 000 mm，錨桿錨索的力學參數如表1所示。

表1 錨桿錨索力學參數對照

2 模擬計算

根據巷道埋深計算得出覆巖的自重為8.65 MPa，施加于模型上端均布載荷。當采用錨桿錨索聯合支護時，將不同工況下的頂板受力及變形進行匯總，繪制如圖2所示的不同工況應力及位移曲線。

從圖2-1中可以看出：當錨索的預應力為100 kN時，隨著錨桿預應力的增大，頂板的垂直應力呈現略微增長趨勢；當錨索的預應力為200 kN時，隨著錨桿預應力的增大，巷道頂板的垂直應力逐步降低，當錨桿的預應力為40 kN時，頂板垂直應力為81.7 kN，當錨桿預應力增大至80 kN時，頂板垂直應力降低為46.8 kN，降低幅度最大為42.7%。由此可以看出，當錨索預應力一定時，巷道頂板垂直應力的降低不能只依靠于錨桿預應力的增大。當錨桿的預應力相同時，隨著錨索預應力的增大，巷道頂板的垂直應力呈現減小的趨勢。當錨桿預應力為40 kN時，錨索預應力100 kN和錨索預應力200 kN相比于錨索預應力300 kN，巷道垂直應力分別增大50.5 kN和37.8 kN；同樣的，當錨桿預應力為60 kN時，錨索預應力100 kN和錨索預應力200 kN相比于錨索預應力300 kN，巷道垂直應力分別增大65.9 kN和31.7 kN；當錨桿預應力為80 kN時，錨索預應力100 kN和錨索預應力200 kN相比于錨索預應力300 kN，巷道垂直應力分別增大67.1 kN和16.5 kN。

圖2 不同工況應力及位移曲線

從圖2-2中可以看出，巷道頂板的位移量隨著錨索的預應力增大而出現減小的趨勢，當巷道錨桿的預應力為40 kN時，錨索預應力200 kN和錨索預應力300 kN較錨索預應力100 kN分別降低0.14 mm和0.24 mm；當錨桿的預應力為60 kN時，錨索預應力200 kN和錨索預應力300 kN較錨索預應力100 kN分別降低了0.19 mm和0.25 mm；當錨桿的預應力為80 kN時，在錨索預應力200 kN和300 kN時出現反增長，可以看出在錨桿預應力一定時，巷道頂板的變形量不會隨著錨索預應力增大而一直減小。由此可以看出，當采用錨桿錨索聯合支護時，選定合理的錨桿預應力及錨索預應力對于巷道頂板的穩定性十分重要。從本次模擬可以得出，最佳的錨桿預應力為60～80 kN，最佳的錨索預應力為200 kN。

對模擬出的結果進行現場實測，錨桿錨索布置方式與原支護方式類似，將錨桿的預應力設定為60 kN、錨索的預應力設定為200 kN，觀察巷道圍巖變形量及巷道應力情況，監測70 d的巷道圍巖變形。隨著工作面的推進，巷道的兩幫位移變形量很小，僅為53.8 mm，較原有支護兩幫移近量78.2 mm降低了24.4 mm，巷道頂底板的變形量為48.8 mm，較原支護降低了19.86 mm。

3 結論

1）利用數值模擬軟件對錨桿錨索聯合支護參數的選定進行研究，給出了模型建立的過程，為后續的模擬研究打下穩定的基礎。

2）對不同錨桿預應力及不同錨索預應力下巷道頂板變形量及垂直應力進行研究，選定最佳的錨桿預應力為60～80 kN，最佳的錨索預應力為200 kN。

3）通過現場實測給出了最佳錨桿預應力、錨索預應力下巷道的變形情況發現，巷道兩幫變形量降低24.4 mm，頂底板變形量降低19.86 mm。