動壓巷道組合錨索支護應用分析

劉瑞軍

（山西煤炭進出口集團左云韓家洼煤業有限公司，山西 大同 037100）

1 202 運輸順槽概況

山西煤炭進出口集團左云韓家洼煤業有限公司202 運輸順槽位于井田二采區，巷道東面為201 綜采工作面采空區，南面為22 號煤層二采區回風大巷，北面為井田邊界，西面為回采區域，如圖1 所示。

圖1 202 運輸順槽機頭硐室段原支護示意圖（單位：mm）

202 運輸順槽設計長度為1850 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.0 m×3.2 m，巷道掘進煤層為22號層，煤層平均厚度11.14 m，含4～6 層夾矸。煤層大致走向西南，傾向西北，呈一單斜構造，傾角較小，平均-3°。

202 運輸順槽機頭硐室段設計長度為240 m，巷道設計斷面規格為寬×高=5.5 m×3.7 m，由于202機頭硐室段施工斷面積大，同時202 運輸順槽與201工作面采空區間距為15 m，受鄰近采空區及采動影響巷道掘進期間圍巖破碎嚴重，而原巷道頂板主要采用錨索、W 型鋼帶等支護，錨索布置間距為0.8 m、長度為8.3 m、直徑為21.8 mm，同時對巷道幫部與頂板處施工角錨索，角錨索長度為5.0 m、直徑為21.8 mm，如圖1 所示。所以頂板采用錨索加強支護，但是通過實際應用效果來看，錨索支護效果差，頂板下沉嚴重[1-2]。

2 組合錨索“應力柱”效應分析

為了提高動壓區頂板穩定性，決定對202 運輸順槽機頭硐室段頂板支護進行優化，采用組合錨索支護。

2.1 組合錨索支護特點

1）目前煤礦采用的組合錨索主要由組合托盤和錨索組成，每組組合錨索由3～5 根單錨索組成；202運輸順槽機頭硐室段動壓區頂板采用的組合錨索由5 根錨索組成，其中長度分別為1 根10.3 m、2 根8.3 m以及2 根6.3 m，通過長度的錨索可將不同層位的圍巖進行錨固。

2）傳統的單錨索支護屬于點性支柱，預應力相對分散，而組合錨索預應力相對集中，屬于面性支護，在支護過程中具有足夠的預應力可在松動圍巖內形成“應力柱”，預應力支護面積大，支護效果好。

3）組合錨索支護截面積大，在支護過程中能夠對蠕動變形圍巖起到有效的控制作用，與單錨索支護相比，能夠杜絕單錨索支護時因應力疲勞現象，造成錨索支護體抗載強度降低現象[3]。

2.2 “應力柱”效應分析

2.2.1 應力場模擬分析

在頂板巖性、厚度以及錨索直徑、長度等參數不變的情況下，在改變錨索數量的情況現象分別建立單錨索支護和組合錨索支護應力模擬圖，如圖2 所示；利用FLAC3D 數值模擬軟件建模，模型長度及寬度均為50 m，模型共計分為25000 個單元格，并對模型底部建立橫向和豎向的位移量，從而建立豎直模型圖。

圖2 單錨索與組合錨索應力分布圖

從圖2 可見，單錨索支護時產生的應力場相對分散，形成有效“應力柱”區域少；而采用組合錨索支護時，應力相對集中，形成的“應力柱”均勻，組合錨索支護后對蠕動變形圍巖產生壓縮應力區，對圍巖大變形能夠起到更好的空壓作用。

2.2.2 動載擾動應力分析

1）在其他參數不變的情況下，分別對單錨索支護應力場和組合錨索支護應力場施加動載，分析單錨索支護和組合錨索支護巷道圍巖蠕動變形范圍及圍巖變形量，通過現場監測圍巖變形量如表1 所示。

表1 巷道圍巖變形監測

2）通過對比分析巷道采用單錨索支護時圍巖蠕動變形區明顯大于組合錨索支護時圍巖內部蠕動變形圈，同時根據表1 可見，采用組合錨索支護時巷道頂板下沉量、兩幫移進量以及底鼓量明顯小于單錨索支護，由此可見，采用組合錨索支護能夠對蠕動變形圍巖起到更好的控制效果[4-5]。

3 實際應用效果分析

為了準確掌握組合錨索現場實際應用效果，在202 運輸順槽機頭硐室段20～40 m 以及40～60 m 處各設置一個測點（1 號、2 號）；其中1 號測點采用原單錨索支護，2 號測點采用組合錨索支護，通過現場監測結果如圖3 所示。

圖3 動壓區單錨索與組合錨索支護時圍巖變形曲線

根據圖3 發現，采用單錨索支護后動壓區巷道圍巖變形量相對較大，實測頂底板最大移近量590 mm，而兩幫最大移近量達1150 mm；而采取組合錨索支護后頂底板最大移近量為140 mm，而兩幫最大移近量為230 mm，由此可見采用組合錨索支護后對動壓區圍巖變形控制效果更佳，組合錨索支護過程中形成的“應力柱”能夠削弱圍巖內部動壓破壞作用，說明組合錨索錨索支護強度高、失效率低；同時根據圍巖變化曲線發現，無論采用單錨索支護還是組合錨索支護，在支護后前40 d 范圍內圍巖成急劇變形現象，主要原因是圍巖存松動圈，在持續動壓影響松動圈范圍擴大，松動圈范圍擴大過程中錨索支護由原來的主動支護注漿變為被動支護，最終錨索與變形圍巖實現耦合支護作用[6]。

4 結論

1）在靜載荷作用下通過應力場模擬分析發現，采用單錨索支護時形成的應力分散，“應力柱”效應不明顯，而采用組合錨索支護時應力相對集中，在圍巖深部一定范圍內形成連續穩定的“應力柱”，同時在組合錨索承載件附近產生的預應力也相對集中，能夠起到更好的支護作用。

2）在動載荷作用下組合錨索支護時能夠對圍巖起到預期支護作用，對圍巖控制效果好，圍巖變形量明顯小于單錨索支護，所以組合錨索支護更有利于動壓區變形圍巖支護。

3）通過現場實際應用效果表明，采用組合錨索支護后大大提高了頂板穩定性，解決了傳統單錨索支護時受動壓應用，錨索破斷現象嚴重、支護失效率高等技術難題，避免了巷道二次支護施工，降低了動壓區巷道支護成本費用以及勞動作業強度。