基于支護預應力場的松軟圍巖錨桿支護護表構件優選

周逸群，林 健，任 碩，吳建星，王正勝

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013； 2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013； 3.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

錨桿配合護表構件支護是當前煤礦掘進巷道最主要的主動支護形式，是控制巷道圍巖變形的最優手段[1-2]。若主動支護達不到效果，則易出現片幫、冒頂、底鼓等巷道局部失穩、破壞現象[3-4]。為了精細化提升錨桿支護效果，以康紅普院士為代表的學者們提出支護應力場的概念[5-7]。支護應力場是指支護在圍巖中的應力場與支護體內部產生的應力場。針對錨桿支護，在施加預緊力后，由預緊力作用于圍巖而產生的應力場稱為支護預應力場。研究支護預應力場是弄清圍巖體與錨桿相互作用的基礎，而預應力作為錨桿主動支護最核心的參數，其能否在圍巖中有效擴散是衡量錨桿主動支護成敗的關鍵。對此，學者們做了大量工作。康紅普等[8-9]利用FLAC3D軟件，得出錨桿支護過程各參數對支護預應力場分布擴散的影響；李懷珍等[10]對不同邊界約束下錨桿段承載特性進行了研究，建立了煤幫錨固單元體、錨固圍巖受力和錨桿受力力學模型；馬國軍等[11-13]利用數值模擬方式對錨桿單元進行了研究，得出了巷道支護應力場的巷道尺度狀態；徐付軍[14]等模擬了固定預應力下錨桿長度與主動支護之間的關系，并通過支護預應力場的分布提出錨桿支護密度、角度的合理布置方式；劉超儒[15]通過viscoelastic蠕變模型，探究了時間對支護應力場的影響；林健等學者[16-17]利用相似模試驗建立了支護預應力場模型，對單類巖層錨桿預應力的分布形態進行了系統研究；王洪濤等[18]等采用利用彈性力學空間問題中集中力作用于地基內部的R.Mindlin應力解得出了錨桿支護預應力場的分布規律。上述學者以理論和模擬的方式有力促進了支護預應力場指導現場實踐，但應力場分布規律多以巷道尺度展現，或以小比例相似模擬進行測試，缺少對預應力場的精細劃分和研究。本文以石窟煤業3號煤層松軟圍巖巷道為工程背景，通過實驗室仿真試驗探究不同錨桿支護構件在支護圍巖中預應力場的分布異同，通過細致對比預應力場分布差異實現松軟破碎圍巖條件下錨桿支護護表構件優選，指導現場實踐。

1 石窟煤業地質力學條件

石窟煤業3號煤層巷道沿煤層底板掘進，因周邊存在部分老舊空巷，在過空巷掘進時常出現巷幫圍巖裂隙發育、松軟破碎等問題，導致部分錨桿支護預緊力達不到要求，甚至部分區域巷幫出現了較大變形，影響礦方正常生產。通過在巷道周邊進行全面地質力學測試，測試結果如圖1所示。

圖1 圍巖強度及結構窺視Fig.1 Strength test and structure observation of surrounding rock

(1)測點最大水平主應力值為15.68 MPa，最小水平主應力值為8.06 MPa，垂直應力值為7.14 MPa，地應力場在量值上屬于中等應力值區域。最大水平主應力方向N37.6°E，與掘進巷道一致性較好。

(2)通過圍巖強度及結構窺視，測點頂板以上0～3.2 m為3號頂煤，強度平均值為16.86 MPa，部分區域松軟破碎。如圖1(c)所示，頂板0～1.6、2.4～2.7 m時，煤體明顯出現裂隙發育及破碎現象；頂板3.3～4.8 m為泥巖，強度平均值為40.30 MPa；頂板4.8～10.0 m為細砂巖，強度平均值為68.56 MPa；幫孔煤體強度為12～16 MPa。

綜合以上情況，結合現場支護調研分析，石窟煤業3號煤層巷道托頂煤且因周邊空巷影響導致圍巖淺部松軟破碎，目前巷道錨桿采用鋼筋托梁作為護表構件，現場部分鋼筋托梁已壓入松軟圍巖當中，導致存在錨桿預緊扭矩隨時間逐漸下降的情況，同時預應力在圍巖中擴散較差，這是巷道出現較大變形的主要原因。所以，必須針對松軟圍巖，采取有效措施，使錨桿預應力擴散效果得到提升，從而達到有效控制圍巖的目的。

2 支護預應力場仿真試驗

2.1 仿真試驗臺搭建

為了細致探究更有利于錨桿支護預應力場擴散的護表構件，設計了1∶1比例的錨桿支護預應力場仿真試驗臺，試驗臺尺寸為3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm的長方體，為更好契合井下松軟圍巖條件，通過前期配比試驗，確定選取32.5號水泥，在水灰比0.81，灰砂比0.25的情況下制成水泥砂漿作為相似材料。相似材料應力—應變曲線如圖2所示。

圖2 相似材料應力—應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of similar materials

如圖2所示，將制作好的砂漿試塊在室內條件下養護28 d后進行抗壓強度與彈性模量力學測試。其抗壓強度16.45 MPa，彈性模量為3.27 GPa，較好的契合了現場錨桿支護范圍內的圍巖力學參數。

通過ZHC-35載荷傳感器與YJZA-16智能靜態電阻應變儀建立了預應力采集系統，通過在模型中預埋XYJ-2型混凝土應變傳感器用于監測錨桿預緊狀態下圍巖的受力數值。傳感器布置方式如圖3所示，結合對稱性，利用Surfer繪圖軟件可以得出錨桿支護預應力場的分布規律。

圖3 錨桿支護預應力場仿真試驗臺Fig.3 Prestress field simulation test bed of bolt support

2.2 不同支護構件預應力場測試

100 kN預緊力下(錨桿長度2 400 mm，錨固長度445.1 mm)鋼筋托梁和W鋼護板作用下錨桿支護預應力場三維云圖沿水平方向切片如圖4所示，可以看出沿錨桿桿體軸線方向錨桿預應力場的整體規律：在錨固段(錨桿通過錨固劑與圍巖粘結在一起)形成1個拉應力集中區域，在自由段(錨桿與圍巖未通過錨固劑粘結)的兩端各形成了1個壓應力集中區域，即由錨桿上部向下部組成了“拉—壓—壓”的應力集中區分布格局。

對圖4中各個區域應力峰值和范圍進行測量，結果見表1。可以看出，不同支護構件作用的預應力場影響主要在于淺部托盤作用區域，在錨固段范圍及自由段的上部支護預應力場分布規律基本一致，其峰值和分布范圍未出現明顯差別；在2根錨桿1 m間距同時作用下，二者圍巖表面的應力峰值分別為0.8、0.6 MPa；鋼筋托梁的圍巖表面應力峰值高處W鋼護板33.34%。

針對圍巖內部應力分析，二者在自由段范圍整體區域0.15 MPa壓應力區面積分別為0.336 m2和0.476 m2，W鋼護板壓力范圍高出鋼筋托梁41.67%；自由段中部0.1 MPa壓應力區均沿錨桿自由段貫通，中部寬度分別為204、705 mm；自由段中部0.05MPa區域寬度分別為835、2 100 mm，W鋼護板對自由段中部的控制范圍明顯高于鋼筋托梁。二者在自由段范圍整體區域0.05 MPa壓應力區域面積分別為3.38、3.95 m2，W鋼護板壓力范圍高出鋼筋托梁21.69%。綜上所述，對于托盤作用范圍的淺部圍巖，鋼筋托梁施加預緊力的方式為通過托盤擠壓2根14 mm鋼筋，由鋼筋與圍巖接觸，因其護表面積很小，導致其在托盤中心位置出現較高的應力集中。產生的峰值高，但應力擴散效果和整體壓應力的分布較差，而W鋼護板作為大護表構件，表面應力分布更為平均，且應力擴散效果和整體壓應力的分布范圍明顯優于鋼筋托梁。以之前相關研究學者[17]慣用的0.05 MPa定義為錨桿支護的有效壓應力，則在W鋼護板作用下，基本實現了有效壓應力在圍巖淺層的全部覆蓋。

圖4 錨桿支護預應力場分布云圖Fig.4 Cloud diagram of prestressed field distribution of bolt supporting

表1 鋼筋托梁與W鋼護板錨桿預應力場情況比對分析Tab.1 Comparison and analysis of prestressed field of joist and W steel plate anchor

3 現場工業性試驗

針對石窟煤業松軟圍巖錨桿支護巷道，在將支護構件由鋼筋托梁變更為W鋼護板后，通過安裝了頂板、幫部錨桿測力計，用于錨桿受力狀態的監測，得到錨桿工作阻力隨著距離改變的變化情況。通過對測站錨桿應力監測可以得出，錨桿預緊力在34～82 kN，錨桿預緊力達到屈服強度的32%～78%，成功實現了GB/T 35056—2018推薦的錨桿屈服力30%～60%的高預應力支護范圍，做到對圍巖的主動支護，同時錨桿受力穩定，所有錨桿在服務期間均未超過其受力極限，支護系統可靠穩定。

通過設立2個位移觀測測點得到巷道移近量與時間的關系如圖5所示。

其中1號測點頂底板最大移近量達125 mm，兩幫最大移近量為146 mm；2號測點頂底板最大移近量為169 mm，兩幫最大移近量為141 mm；相通過安裝頂板離層儀，得出頂板淺部離層最大值為9 mm，深部離層最大值為11 mm，總離層值為20 mm。總體，采用新護表構件后，實現了巷道圍巖的有效控制，滿足了礦方使用要求。

圖5 巷道圍巖觀測結果Fig.5 Observation results of roadway surrounding rock

4 結論

(1)通過全面地質力學測試，石窟煤業掘進巷道變形的主要原因是由于在松軟破碎圍巖環境中錨桿配合鋼筋托梁不能有效擴散預應力，對錨桿及其護表構件發揮主動支護作用起到了一定阻礙。

(2)根據仿真試驗結論，在錨桿長度2 400 mm、錨固長度445.1 mm、預緊力100 kN時，不同護表構件在1 400～3 000 mm(錨固段及上方、自由段上部)支護預應力場分布規律一致。不同支護構件作用下預應力場影響主要在于淺部托盤作用區域。

(3)在試驗條件下，W鋼護板作為大護表構件，產生的表面壓應力峰值較鋼筋托梁降低25%，0.15、0.05 MPa壓應力區域面積較鋼筋托梁分別增加41.67%、21.69%。應力擴散效果和整體壓應力的分布范圍明顯優于鋼筋托梁，基本實現有效壓應力在圍巖淺層的全部覆蓋。

(4)通過礦壓監測數據，測點頂底板最大移近量達125 mm，兩幫最大移近量為146 mm，頂板淺部離層最大值為9 mm，深部離層最大值為11 mm，總離層值為20 mm，巷道相比原變形量得到大幅改進，滿足礦方正常使用要求，說明通過變更構件，在松軟圍巖中有效發揮了錨桿主動支護效果，較好實現了松軟圍巖錨桿支護護表構件優選目的。