淺析錨桿錨索聯合支護數值模擬及現場應用

史繼武 梁俊嶺 鞠路超

（山西朔州華美奧興陶煤業有限公司山西 朔州 036002）

山西朔州華美奧興陶煤礦煤層較淺，但因下部煤層的巷道布置在上部煤層的煤柱下方，巷道掘進時壓力顯現較為明顯，巷道已經發生變形、開裂、片幫等破壞現象,原因是巷道沿煤層底板掘進，巷道頂板及兩幫為煤體，煤質較脆易開裂以及受到強大的地應力影響。這種現象極易造成安全事故的發生及延緩施工進度。盡管已經增加支護強度和密度，但穩定性還是較難繼續維持。

1 分析錨桿錨索聯合支護機理理論

圍巖發生移動變形時，可以采用錨桿(索)產生的錨固力結合錨固劑附著在圍巖上，從而阻止繼續變形。不同的錨固方式影響荷載在錨桿中的傳遞。因此，分析錨固力和錨桿支護問題要基于圍巖和圍巖變形進行分析，研究圍巖變形的問題也需要結合錨固力進行。研究錨桿與圍巖相互作用關系就需要符合這一規律：當錨固區圍巖出現離層、裂隙張開、新裂紋產生等擴容變形與破壞的情況,可使用錨桿作用控制，保持圍巖的受壓狀態,避免圍巖發生彎曲變形與拉伸、剪切破壞,使錨固區的完整性得到最大化的保護，使錨固區圍巖整體強度得到增強。若想避免錨固區外巖層發生離層,可以在錨固區形成剛度大的次生承載結構的同時，改變圍巖深部的應力分布狀況。

2 數值模擬錨桿、錨索聯合支護效果

2.1 建立模型

建立模型結合Mohr-Coulomb強度原則,結合巖石物理力學參數進行計算見表1.模型按三維思考,結構取半研究是因為參考了結構的對稱性。設計一種和掘進機配套，既能起到臨時支護作用又能安裝錨桿的機構，在掘進的同時完成巷道的支護，節省時間、提高了勞動效率。巷道的建設方案主要內容有：斷面為矩形斷面,巷道的高和寬分別以4800m和3200m為標準。巷道開挖時，要考慮到其對邊界條件的影響,將模型長、寬、高的標準訂為25m、50m、38m。分別在模型的兩側將水平位移、底板的垂直位移進行限制,頂面不做要求。水平應力和垂直應力分別為30MPa和25MPa。錨桿采用的全螺紋等強度錨桿要達到Φ18mm×2200mm的標準,錨索采用的鋼絞線要達到Φ17.8mm×4150mm的標準。

2.2 分析計算數值模擬的結果

研究巷道頂板下沉值、兩幫相對收斂和底臌的情況，就需要結合錨桿間距和錨索數量的不同組合，將數值模擬分為35組。那么就可以發現巷道在開挖之后,圍巖因應力的釋放，開始重新分布,致使圍巖出現變形甚至破壞,如頂板下沉、兩幫內擠和嚴重的底臌。巷道頂板下沉量、兩幫相對收斂值和底板位移量的減小主要是因為錨桿和錨索數量的增加。在錨桿間距分別為600、800、1000和1200mm時,增加錨索數量,巷道變形減小效果差;巷道發生變形的情況比較大主要是因為錨桿間排距較大。因此，得出結論，要想使得錨桿錨索聯合作用效果處于最佳的狀態，需要把錨桿間距在保持在600～1000mm之間,錨索數量為1.5根（每米巷道）。

2.3 相比較現場實測結果的分析

現場支護形式主要有:

錨桿支護需要采用高強度錨桿,如Φ18mm×2200mm的全螺紋錨桿，保持800mm×800mm的間排距,每條錨桿采用1只CK2350樹脂藥卷。金屬網由10號鉛絲編制的菱形網,保持4300mm×2200mm的規格,以及50mm×50mm的網格。同時需要采用W形鋼帶,排距為800mm,以及Φ17.8mm×4150mm的鋼絞線,3塊為一孔的CK2350藥卷。

2.4 錨桿錨索聯合支護作用

（1）錨桿錨索聯合支護使錨桿和被錨固巖體相互作用，形成統一的承載結構，和鋼棚共同承擔圍巖壓力，起到了加強支護的作用。（2）錨桿錨索聯合支護可提高錨固體的力學參數，改善被錨固圍巖的力學性能。（3）錨桿錨索聯合支護可提高錨固區內巖體的峰值強度和殘余強度，提高錨固強度后，能控制圍巖塑性區、破碎區的發展，巷道周圍塑性區、破碎區的范圍和巷道的表面位移有所減小，有助于確保巷道圍巖的穩定性。

3 結語

實踐證明，不同的錨桿間距和錨索數量的組合方式，錨桿錨索聯合支護的效果也有明顯不同。在煤礦應用中，合理、經濟的組合錨桿間距和錨索數量尤為重要，只有合理選取支護形式和支護參數，才能使錨桿錨索聯合支護效果最為顯著。

[1]孫曉明,楊軍,曹伍富.深部回采巷道錨網索耦合支護時空作用規律研究[J].巖石力學與工程學報.2007(05)