煤巷復合層頂板長短錨桿聯合支護技術研究

鄧 磊，東兆星

（中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州221116）

煤巷復合層頂板長短錨桿聯合支護技術研究

鄧 磊，東兆星

（中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州221116）

針對普通等長錨桿在煤巷復合層頂板應用中的缺陷進行了長短錨桿聯合支護技術的研究。基于山西汾西礦區中興礦材料巷道設計七種聯合支護方案，采用FLAC3D數值分析軟件模擬不同工況下巷道支護。得到了在巷道頂板中部布設長錨桿受拉能有效控制表面位移、改善圍巖應力分布，外側布設短錨桿承受剪力能阻止層間滑動，節省支護成本的結果。結果與原工況的對比證明了長短錨桿在復合層頂板支護中能滿足預期的要求，且采用DCC組合時支護效果與原工況最接近的結論。對長短錨桿的作用機理的推測為聯合支護的應用提供了參考。

復合層頂板；長短錨桿；聯合支護；數值模擬

錨桿支護研究是地下工程的一個熱點，普通錨桿支護時通常設計為等長錨桿的形式。但在山西汾西礦區特別是中興礦材料巷道支護的過程中發現了等長錨桿的局限性。在巷道頂板為復合層頂板的復雜地質條件下，當全部采用長錨桿進行支護時，掘進時間與支護時間嚴重不匹配，錨桿支護花費的時間長，成本高，而當全部采用短錨桿進行支護時，又由于錨桿長度較短無法深入到復合層頂板中的較堅硬巖層中而導致支護效果不理想，且存在著較大的安全隱患，因此等長錨桿并不適用。同時在另一些復合層頂板工程施工中也遇到了普通等長錨桿支護的文圖。如姚橋礦［1］綜采工作面工程中，錨桿由于施工條件的限制，長度不足以穿越煤層錨固到堅固圍巖，特別是在頂板破碎發育的巷道區段，錨桿無法承擔荷載。趙固礦［2］采掘工程中為了解決工作斷面的支護問題，采用錨桿錨索組合支護技術。王志剛等［3］研究了可接長錨桿及其在復合層巷道頂板支護中的應用，王飛等［4］研究了復雜頂板條件下可接長錨桿在高應力軟巖巷道中的讓壓支護技術，賈東修等［5］對拱形斷面復合層頂板的錨桿錨索聯合支護進行了研究。這些研究和工程問題都說明在復合層頂板這一特殊工程條件下普通等長錨桿應用的局限性。

針對復合層頂板這一復雜地質條件下支護困難，圍巖易破壞等特點。本文采用長短錨桿支護復合層頂板，利用錨桿長度的差異化來實現加固圍

巖，保護圍巖的穩定性。以中興礦材料巷道為研究對象，對長短錨桿的聯合支護進行了模擬仿真，并將模擬結果與原工況等長錨桿支護效果進行對比，證明了長短錨桿在復合層頂板支護的優越性。

1 工程概況

中興礦某材料工作面材料巷道頂、底板巖性見表1，巷道平均傾向為5°，巷道斷面設計為矩形，原采用等長錨桿、鋼筋托梁的支護形式，巷道掘進寬度為4200mm，高度為2700mm。實施過程中發現復合層頂板地質情況復雜，采用加長錨桿長度以確保安全，導致支護方案錨桿支護花費的時間長，成本過高。

2 聯合支護研究

針對上述工程問題，對復合層頂板采用不同長度錨桿組合形式進行試驗。錨桿布置如圖1所示，對稱巷道頂板共設置六根錨桿，取中點左側錨桿組合為例，其形式如表2所示，其中長錨桿取2.2m，記為C，短錨桿取1.7m，記為D。監測內容見表3。

圖1 錨桿示意圖

表2 錨桿組合形式

表3 巷道監測內容

2.1 模型的建立

巷道開挖模型見圖2，邊界條件見圖3。

2.2 模擬參數設定

采用摩爾-庫倫強度準則，巖石參數取自該礦地質資料和項目驗收報告見表4。

2.3 結果分析

2.3.1 位移結果分析

關鍵點示意圖如圖4所示。

圖2 模型示意圖

圖3 邊界條件示意圖

表4 巖石的材料參數

圖4 關鍵點示意圖

2.3.1.1 頂部沉降分析

沉降分析選取薄弱點巷道頂板中點、矩形巷道角點為關鍵點K1、K2。前者是一般巷道沉降最大值點，后者是偽頂與煤層的分界點，易產生應力集中與位移突變，另取數值模擬的位移最大值為關鍵點K3。關鍵點的位移柱狀圖如圖5～7所示。

對于巷道頂板中點處的關鍵點K1，DCC和CDC組合對復合層頂板位移控制較好，其與原支護方法相比頂板沉降增量為4.05%，故采用DCC和CDC組合支護效果最好。考慮到巷道頂板中部是變形最大的部位，在此處應布置長錨桿，以便有效地控制其變形及位移量；而DCC組合時離K1較遠處選用的是短錨桿，由此推測，該短錨桿對K1的影響較小，即錨桿有一定的加固范圍；另一方面，CDD組合時其位移值最大，頂板沉降增量達到20.65%，由此可見在巷道頂板中部布置短錨桿時，其支護效果不理想。

對于矩形巷道右上角的關鍵點K2，由其沉降柱狀圖可以看出，長短錨桿聯合支護對矩形巷道角點有一定的影響，但影響有限。角點處的整體沉降量均小于復合層頂板中點處的沉降值，預測角點處可能出現的位移突變并沒有出現，因此長短錨桿聯合支護對于角點的影響可以忽略不計。

對于巷道頂板最大沉降值的關鍵K3，由于整個材料巷道頂板的巖層傾向的影響，矩形巷道的右上側煤層與偽頂，偽頂與直接頂的分界面相對于左側更為靠近巷道，由于各層間巖層參數的不同，在巷道頂板右側產生了最大的沉降值是合理的。由表5和圖7分析可知，DCC和DCD組合對于復合層頂板最大沉降值的控制效果最佳。對此種現象進行分析，由模擬實驗可得最大沉降量出現的位置均位于矩形材料巷道頂板最右側的兩根錨桿之間。對DCC和DCD組合而言，中間采用長錨桿的支護方式正好深入到了復合層老頂之中，限制了巷道頂板的表面位移，在其加固范圍內減少了右側危險點的最大沉降值。

2.3.1.2 側壁收斂分析

取關鍵點K4，K5研究兩幫位移變化趨勢見圖8所示。

圖5 K1沉降柱狀圖

圖6 K2沉降柱狀圖

圖7 K3沉降柱狀圖

圖8 兩幫位移收斂曲線

表5 底板隆起值/m

由上述結論可知，復合層頂板錨桿的不同組合會對兩幫的相對移近量產生影響，長短錨桿的組合兩幫移近量的總體趨勢是變大的。通過數據對比發現，CCD、CDD和DCD三種組合對兩幫相對移近量產生的增量最大，其原因在于巷道復合層頂板最外側的錨桿并不是豎直的深入到巖層中而是與水平角呈75°，不僅是作用于頂板，還對圍巖的兩幫的位移有控制作用。其中DCC組合最接近于原始工況，產生的相對位移增量為0.35cm，這個值相對于巷道尺寸和總的變形量是很小的，因此在此工程背景下長短錨桿的應用就兩幫的變形量而言是安全可行的。

2.3.1.3 底板隆起分析

取關鍵點K6研究底板隆起見表5。坑底的隆起值相對于頂板的沉降量減少了一個數量級，其原因在于巷道直接底巖層穩固。因此，此工程背景條件下長短錨桿聯合支護對底板的影響可忽略不計。

2.3.2 應力結果分析

圖9、圖10為巷道在不同錨桿組合情況下的最大主應力圖，根據上述的主應力云圖模擬結果可以得出以下的結論。

圖9 最大主應力云圖

圖10 DCC組合最大主應力云圖

1）錨桿加固具有一定的范圍，以偽頂和直接頂為研究對象。有錨桿存在的區域，錨桿對應力狀態的改善作用十分明顯。在有錨桿支護的作用區域，最大主應力的數值明顯小于沒有錨桿支護的作用區域。

2）深入到老頂的長錨桿在老頂中形成了一個明顯的加固區，說明長錨桿不僅在控制復合層頂板位移發揮了作用，同時能夠改善老頂的應力狀態。

3）CCC組合和DCC組合的最大主應力云圖幾乎相同，可以推測最外側的錨桿對應力改善的作用有限，可以適當減少其長度以節省成本。另外通過DCC、DDC和DCD組合的交叉對比可以得到巷道頂板中點兩側的錨桿對老頂的應力改善作用最為明顯。

2.3.3 錨桿受力分析

復合層頂板長短錨桿層間剪力如圖11所示，層間拉力如圖12所示。由圖11、圖12可知，在相同位置的長短錨桿分別作用時，短錨桿承受了大部分的剪應力作用，長錨桿承受了主要的拉力作用。圖11中偽頂與直接頂，直接頂與老頂的分界面短錨桿起到了承受剪應力，起到了阻止層間滑動的作用，同時將上下巖層連接成整體組合受力。而從圖12可知，長錨桿平衡承受了大部分的拉力作用，將下部的圍巖懸吊于頂部堅固的巖層中，起到控制位移的作用，其控制能力隨著時間的增長而更加明顯。而圖11中短錨桿的拉力突變是由于開挖后，應力突然釋放，偽頂與直接頂之間的層間聯接更薄弱造成的，隨著時間增長，逐步由長錨桿承受主要拉力。

圖11 層間錨桿剪力曲線

圖12 層間錨桿拉力曲線

2.3.4 長短錨桿作用機理

綜上所述，長短錨桿聯合支護時長錨桿主要起到控制位移的作用，短錨桿主要起到加固作用。長短支護作用機理可概述為如下兩個方面。

1）當頂板巖石是層狀分布時，短錨桿將各個薄

的巖層貫穿在一起形成一個一定厚度的組合梁［6］，薄的巖層能抗拒的拉應力較小，而厚的組合梁抗拉強度大大提高；在巖石層面交界處，短錨桿與膠結物一起共同阻止巖層沿層理面的水平錯動；長錨桿將短錨桿形成的組合梁懸吊深部較穩定的巖層中，從而使巷道頂板滿足穩定性的要求［7］。

2）當頂板巖石節理、裂隙較為發育，即頂板巖石較為破碎時，巷道開挖后，巖體群會沿著巷道徑向收斂，向巷道空間運動，使巖塊相互嵌合；借助巖塊間的摩擦力，巖塊間自鎖，同時在短錨桿的作用下，各巖塊擠壓成拱，此巖石拱［8］支承了破裂帶巖體的大部分；同時，在長錨桿的作用下，將此巖石拱懸吊在深部較穩定巖層中，從而使巷道頂板滿足穩定性的要求。

3 結 論

經項目討論后中興礦巷道采用DCC組合支護復合層頂板，現場實測表明該組合支護能達到設計效果。綜上所述可以得出以下結論。

1）巷道復合層頂板支護采用特定的長短錨桿組合的方式能夠達到支護要求，同時能夠節約成本，縮短支護時間，為快速掘進和施工創造條件。

2）就本工程背景而言，DCC組合方式效果最佳，說明在類似的工程條件下，最外側的錨桿可以采用短錨桿替代長錨桿的支護方式。此時，長錨桿主要起到控制位移的作用，短錨桿主要起到加固作用。

3）現實的工程中有采用錨桿-錨索聯合支護的形式。因此采用長短錨桿聯合支護利用側重點不同的支護機理的綜合應用是可行的并具有現實的意義。

［1］ 鄒長磊，周鋼，王鵬舉，等.全煤巷道接長錨桿懸吊單軌吊技術研究［J］.礦山機械，2013（6）：21-24.

［2］ 趙志強，賈后省，王志剛，等.大采高超大斷面切眼長錨桿錨索組合支護技術［J］.中國煤炭，2013（11）：67-71.

［3］ 王志剛，白浪，董陽陽，等.可接長錨桿及其在巷道頂板支護中的應用研究［J］.煤炭工程，2015（5）：51-54.

［4］ 王飛，劉洪濤，張勝凱，等.高應力軟巖巷道可接長錨桿讓壓支護技術［J］.巖土工程學報，2014（9）：1666-1673.

［5］ 賈東修，李延奎，胡成忠，等.復合層頂板拱形斷面錨桿錨索聯合支護技術［J］.中國煤炭，2007，33（9）：30-32.

［6］ 劉安秀，曹朋，陳斌.典型錨桿支護巷道含軟弱夾層頂板組合梁模型新研究［J］.礦業安全與環保，2011，38（5）：74-76.

［7］ 賈穎絢，宋宏偉.土木工程中錨桿支護機理研究現狀與展望［J］.巖土工程界，2003，6（8）：53-56.

［8］ 潘睿.錨桿組合拱理論在煤巷中的應用［J］.礦山壓力與頂板管理，2002（2）：57-58.

Research on bolting with difference scale in composite layer of roadway roof

DENG Lei，DONG Zhao-xing
（School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China）

The study focuses on the combination of bolting with different scale to solve the disadvantages in composite layer of roadway roof.FLAC3Dhas been applied to analyzing the research which including seven combinations.The results show the long bolting can control displacement and stress distribution，and the short bolting can prevent from sliding.The new method can meet the expected requirement to compare with the old，and DCC is closest to the original results.The mechanism of bolt with different length has been speculated.This paper is of great significance in application of the bolting in the future.

composite layer of roof；bolting with difference scale；combined supporting；numerical simulation

TD353

A

1004-4051（2016）09-0092-05

2015-12-17

鄧磊（1990-），男，碩士研究生，研究方向為巖土工程加固與處理。E-mail：cumtdenglei@163.com。