錨桿錨索聯合支護技術在巷道支護中的應用

柳 陽

（山西焦煤西山煤電調度指揮中心， 山西 太原 030053）

引言

煤炭開采深度越大，采掘巷道所處位置圍巖的變形越大，隨著煤炭資源開采深度的不斷增加，煤層的水文地質條件更為復雜。傳統的錨索網讓壓支護方式難以滿足煤礦開采過程中維持巷道穩定、控制巷道圍巖變形的要求。傳統的錨索網支護方式適合于淺部煤層、圍巖變形較小的地質條件，當煤層埋藏較深時，圍巖應力和變形較大，傳統的錨索網讓壓支護方法難以適應大應力、大變形的地層條件。錨桿植入圍巖后形成一個對角線近似為錨桿長度的菱形加固區，當錨桿間排距小于錨桿菱形加固區沿巷道走向方向的對角線長度時，錨桿菱形加固區部分重疊，在巷道圍巖內形成連續的加固帶，極大地提高巷道圍巖抵抗巷道所處位置水土壓力和采動壓力的能力。

1 采掘巷道圍巖的破壞變形機理

1.1 巷道失穩變形的力學簡圖

巷道圍巖是一種脆性結構，巷道掘進后在圍巖應力作用下，巷道周圍形成塑性區，塑性區的破壞變形是巷道失穩的主要原因。正常情況下，巷道變形量隨開采深度的增加逐漸增大，在我國部分埋深超過千米的煤層開采過程中，巷道頂板沉降量可以達到1 200 mm、底板底鼓量可以達到1 500 mm、兩幫破壞突出量可以達到1 000 mm，巷道圍巖變形較大，支護困難。塑性區的破壞變形是巷道失穩的主要原因，塑性區半徑與巷道所處位置水土壓力、圍巖的力學性質、巷道內支護阻力有關[1]，將巷道的受力圖進行簡化后，如圖1 所示。

圖1 巷道圍巖受力圖

圖1中：Pi表示巷道圍巖內彈性區內的壓力，與巷道的開采深度相比，塑性區半徑較小，一般不大于10 m，與采掘巷道所處的深度相比，塑性區半徑可以忽略，巷道圍巖內彈性區內的壓力近似等于巷道圍巖的水土壓力；P0表示巷道內的支護作用力，支護作用力起支撐作用約束巷道的變形，與塑性區半徑R0成反比例關系。

1.2 巷道失穩變形的影響因素分析

采掘巷道失穩變形的影響因素有很多，從材料力學角度分析，主要與巷道所處位置的水土壓力、巷道上覆圍巖的物理化學性質、巷道的內部支護作用力和巷道所處位置的水文地質條件等因素有關。以圓形巷道為例，當圓形巷道在均質圍巖中掘進時，塑性區半徑與巷道內支護阻力、巷道所處位置的水土壓力及圍巖的物理化學性質之間的關系如下式（1）：

式中：R0為塑性區的半徑，m；a 為圓形巷道半徑，m；P0為巷道內支護阻力，kPa；Pi為巷道所處位置的水土壓力，kN；C 為圍巖的黏聚力，kN/m2；φ 為圍巖的內摩擦角。

式（1）表明，巷道所處位置水土壓力越大，塑性區半徑越大，巷道截面傾向于失穩變形，兩者成正比；支護阻力與塑性區半徑成反比。巷道內支護作用力大小與巷道內采取的支護措施有關，巷道所處位置水土壓力的大小與巷道所處位置深度有關。巷道所處位置深度越大，巷道收到的水土壓力越大，塑性區半徑越大，塑性區半徑與巷道所處位置深度成正比，當其他變量不變時，塑性區半徑隨巷道所處位置深度的增大而增大，巷道趨向于失穩變形。在不考慮圍巖特性的數值尺度時，塑性區半徑大小與圍巖特性間的定性分析如圖2。

圖2 塑性區半徑大小與圍巖特性定性分析

如圖2 所示：圖中線條A 表示塑性區半徑與內聚力之間的變化趨勢關系，隨著內聚力的增加，塑性區半徑急劇減小，直至趨近于0；圖中線條B 表示塑性區半徑與內摩擦角之間的變化趨勢關系，隨著內摩擦角的增加，塑性區半徑急劇減小，但最終趨近于常數值。

2 聯合支護理論分析

2.1 聯合支護的機理

錨桿錨索聯合支護方法是通過向巷道圍巖內植入錨桿錨索，利用錨桿錨桿加固區的重疊形成完整的殼體結構，提高巷道圍巖的強度和剛度，同時通過深入巷道圍巖，增強各層圍巖層間粘結力，克服圍巖自重和下滑作用，減少巷道失穩可能性。錨桿植入圍巖后形成一個對角線近似為錨桿長度的菱形加固區，當錨桿間排距小于錨桿菱形加固區沿巷道走向方向的對角線長度時，錨桿菱形加固區部分重疊，在巷道圍巖內形成連續的加固帶，抵抗原巖應力，約束巷道變形。錨桿對圍巖的加固效果在錨桿軸線方向逐漸降低，在錨桿的菱形加固區邊緣，錨桿加固效果很小，形成加固的薄弱環節，通過在相鄰錨桿中間位置植入錨索，可以明顯提高錨桿菱形加固區邊緣圍巖的強度，防止錨桿加固帶上薄弱環節的破壞變形，避免在殼體結構上形成應力集中。在空間上，重疊的錨桿錨索加固區形成連續完整的殼體結構，在巷道截面上，重疊的錨桿錨索加固區沿巷道外周長形成連續完整的梁型加固帶。同時，錨桿錨索穿過強度剛度較小的巖層，植入強度剛度較大的巖層中，在錨桿錨索錨固力的作用下，克服巖層的重力下滑作用，減少了圍巖內的不同巖層的離層效應，形成類似組合梁的結構，降低巷道變形概率。

2.2 聯合支護力學簡圖

在巷道截面上錨桿錨索加固作用的力學簡圖如圖3。如圖所示，錨桿AB 植入巷道圍巖后，在圍巖中形成菱形加固區ADCE，C 點為錨桿插入圍巖的插入點，通過設置合理的錨桿間距，使相鄰錨桿的菱形加固區部分重疊，在空間上沿巷道走向形成完整連續的殼體結構，在巷道截面上形成條形加固帶，如圖3 中的黑色加固條帶，對抗巷道所處位置的水土壓力。在錨桿加固的菱形加固范圍內，在遠離錨桿軸線的方向上，錨桿的加固效應呈減小趨勢，在菱形加固范圍的邊緣，加固效應急劇減小，形成薄弱環節，在水土壓力或采動壓力作用下，容易產生破壞變形，降低巷道錨桿支護的效果。在錨桿間植入錨索EF，增強錨桿加固帶強度在空間殼體結構上的一致性，防止存在受力薄弱環節。與傳統地將錨索布置在相鄰兩個錨桿中間位置不同，將錨索布置在殼體結構上相鄰的四根錨桿形成的四邊型的中心位置，提高錨索對菱形加固帶有效補強率。

圖3 錨桿支護作用機理

3 聯合支護設計

通過設置合適的錨桿間排距，使錨桿的菱形加固區重疊在空間上形成殼體結構，在遠離錨桿軸線的方向上，錨桿加固的效果逐漸減弱，因此在錨桿加固區的合適位置植入錨索，提高菱形加固區重疊形成的殼體結構各部位強度的一致性，消除殼體結構上的受力薄弱點，避免在采動應力和巷道所處位置水土應力下破壞變形，形成應力集中，造成巷道失穩變形。與傳統的錨桿錨索同排設置不同，設計錨索布置在相鄰四根錨桿形成的四邊形的幾何中心點，在增強殼體結構各部位強度的一致性的同時，避免錨索等材料的浪費。錨入長度計算如下式：

式中：L 為錨桿長度，m；H 為錨索長度，m；L1為錨桿外露長度，m；L2為錨桿有效長度，m；L3為錨桿植入圍巖深度，m；H1為穩定巖層中錨索的長度，m；H2為不穩定巖層中錨索長度，m；H3為錨具厚度，m；H4為外露張拉長度；

將錨索布置在殼體結構上相鄰的四根錨桿形成的四邊型的中心位置，在充分提高錨桿加固效果的同時，避免了材料的浪費。為了保證好的安全穩定性，設計錨索的間排距與錨桿的間排距相同，充分發揮錨索的加強作用。錨桿的間排距計算公式：

式中：a 為錨桿間排距，m；G 為錨固力，kN/ 根；k 為安全系數；γ 為巖體容重。

4 聯合支護數值模擬

利用FLAC3D 軟件對某礦104 工作面巷道頂板進行錨桿錨索聯合支護數值模擬，104 工作面煤層平均厚度3 m，工作面巷道為矩形，巷道尺寸8.6 m×3.6 m，偽頂為平均厚度0.5 m 的泥巖，直接頂為平均厚度4.5 m 的粉砂巖，老頂為平均厚度17.5 m 的細粒砂巖。其中，直接頂最大抗壓強度為15 MPa，老頂層位穩定，以石英石為主。聯合支護參數：錨桿選用金屬錨桿，直徑20 mm，長度2 500 mm，錨桿預緊力不低于150 kN，錨索選用直徑21.7 mm 鋼絞線，長度12.8 m，鋼絞線的承載力454 kN，錨桿錨索間排距700 mm，錨索布置在相鄰四根錨桿組成的四邊形的中心位置。數值模擬結果如下表1 所示：

表1 某礦104 工作面巷道頂板聯合支護數值模擬結果

利用FLAC3D 軟件，記錄104 工作面巷道頂板使用錨桿錨索聯合支護前后的頂板下沉量和最大主應力并進行統計分析，結果表明，使用錨桿錨索聯合支護前，104 工作面巷道頂板在無支護狀態下，巷道頂板下沉量為84 mm，圍巖內的最大主應力為9.5 MPa；采用錨桿錨索聯合支護后，巷道頂板下沉量為20 mm，降低了64 mm，下降率76.19%，巷道圍巖內最大主應力下降到6.5 MPa，降低了3 MPa，下降率31.58%。因此使用錨桿錨索聯合支護可以在巷道周圍形成完整連續的殼體結構，提高巷道圍巖的強度和剛度，改善巷道圍巖的受力條件，明顯降低巷道圍巖的變形趨勢和圍巖內的最大主應力峰值。

6 結論

1）闡明了塑性區變形破壞是巷道失穩變形的主要原因，塑性區半徑與巷道所處位置水土壓力成正比例關系，與巷道內的支護阻力、巷道圍巖的內摩擦力和內聚角成反比例關系。

2）對錨桿錨索聯合支護技術加固巷道圍巖的措施進行力學解析，并簡化了塑性區半徑計算公式，刻畫了錨桿錨索聯合支護技術的力學簡圖，并進行支護參數設計。

3）利用FLAC3D 軟件對某礦104 工作面巷道頂板進行錨桿錨索聯合支護數值模擬，結果表明，使用聯合支護技術后，巷道頂板下沉量降低了64 mm，下降率76.19%；圍巖內最大主應力降低了3 MPa，下降率31.58%。