錨索支護巷道的變形與受力分析

李 鵬

(陽煤集團二礦，山西 陽泉 045000)

0 引言

錨索支護作為一種新型的支護工藝，從上世紀90年代開始在煤礦推廣以來，到目前為止在煤礦巷道支護中得到了廣泛的普及，尤其是在煤礦煤巷的支護中，已基本取代了金屬支架和木棚支護。錨索支護在實際應用中的優點主要表現在主動支護，控制變形有效，在后期的回采使用中端頭維護和回收簡便；另外，支護參數選擇性大，即在不同的圍巖狀況下，可選擇不同的支護參數，以適應巷道的圍巖壓力。但存在的問題主要表現為一條巷道往往是采用單一的支護方式，在地質條件發生變化時，大多只是進行簡單的加強支護，在復雜的地質條件下巷道的支護方式不適合圍巖的受力狀況，致使出現巷道變形過大后期需要多次維護及頂板出現較大面積跨落等情況。本文根據錨索支護在陽煤二礦的實際應用為例，選取具有代表性地質條件和地質構造類型對巷道的受力及變形做出分類分析。

1 地質條件、巷道支護及觀測分析

1.1 地質條件

陽煤二礦井田位于沁水盆地東北邊緣，目前的主采煤層為15#煤，煤層位于二迭系太原組下部，鉆孔揭露煤厚極大值為9.23 m，極小值為2.41 m，平均6.24 m，在生產采區附存較為穩定。15#煤頂板為砂質泥巖、泥巖，厚度變化較大，平均5 m左右。底板多為砂質泥巖或泥巖，局部為細、中粒砂巖，平均厚度3.0 m。相對于陽煤集團的其它井區，二礦的地質條件比較復雜。主要體現為地質構造比較發育，采區范圍內陷落柱密度較大，煤層松軟，巖層斷層發育。斷層中落差最大的 70 m以上，單個回采工作面內斷層數最多可達10多條。

1.2 巷道支護

根據錨索的組合梁理論，該井區巷道大多采用矩形斷面，巖巷采用錨噴支護或錨桿加錨索補強支護；煤巷基本全部采用“雙錨”支護。即巷頂采用錨索緊固W鋼帶，巷幫采用錨桿帶托板的支護形式。現以二礦擴三區81302進風順槽為例具體說明。

斷面與施工工藝：二礦擴三區81302進風順槽沿15#煤底板掘進的全煤巷道，巷道斷面為矩形。施工工藝為人工鉆爆法，巷道全長793 m。

地質條件：二礦擴三區81302進風順槽所處區段煤層厚6.0 m左右；煤層直接頂為黑色泥巖，厚度約4.0 m，致密、堅硬、較破碎；煤層老頂為灰黑色細砂巖，致密堅硬，厚度為5.0 m；煤層直接底多為鋁土質泥巖或細砂巖，致密、堅硬。

巷道的支護形式：巷道頂部支護采用4.2 m四眼W型鋼鋼帶，每排鋼帶上打注4根φ15.24 mm×5 200 mm錨索，垂直頂板打注。補強錨索采用φ15.24 mm×8 300 mm錨索，錨索下帶1 200 mm29U型鋼。補強錨索每兩排鋼帶一根，位于距巷中0.7 m處，交錯布置。

巷幫每幫打注4根φ20 mm×2 400 mm的鋼錨桿。錨桿間距700 mm，排距950 mm。鋼帶及錨桿支護的排距為0.95 m。在實際施工時，在頂煤松軟巷道成型的地段，用槽鋼短截代替了鋼帶。

1.3 礦壓觀測

礦壓觀測：根據集團公司及礦有關文件的規定，該巷道在施工期間進行了礦壓觀測。觀測內容為錨索受力狀況和頂板離層量觀測。

觀測方式：在巷道掘進過程中每100 m設一個礦壓觀測站，每個觀測站設一個離層儀和兩塊用于測量錨索受力狀況的壓力表(普通錨索和補強錨索上各一塊)。

觀測頻度：巷道離煤頭200 m以內的儀器每3～4 d觀測一次，200 m以外每10 d觀測一次。該巷道目前掘進進尺700 m，共設5個觀測站，各觀測站數據見表1，3#測點離層曲線如圖1所示。

表1 礦壓觀測站離層儀壓力統計表

注：表中距離均指觀測站距掘進工作面的距離

圖1 3#測點離層曲線

1.4 統計分析

巷道高度變形：①巷道高度變形中，頂板離層量大于巷道底板底鼓量；②淺部離層大于深部離層，淺部(0～4 m)離層為頂板離層的主要因素，頂板離層量最大為100 mm；③巷道頂板的離層大部分產生于距離掘進頭10～50 m之間，50 m以后頂板離層量小于總量的30%，巷道趨于穩定狀態；巷道頂底板移近量平均值為57 mm，其中頂板下沉量平均值為41 mm，巷道底板拱起量為16 mm，形成巷道高度變化的主要原因是頂板下沉。

巷道兩幫移近量：兩幫移近量平均累計值為24 mm，兩幫移近量偏離平均累計值較大的主要有2#測點。據觀測，該區域兩煤幫松軟，頂板較其它區域破碎嚴重。與頂板離層相區別的是，兩幫移近量發展緩慢，由長期流變產生。

巷道變形機理：一般情況下巷道變形是由礦壓應變和巷道流變2部分構成，前者是由于巷道開挖后形成的礦壓對巷道自由面的作用引起，這一部分變形的時間較短，一般在距掘進工作面50 m段內完成，是巷道的主要變形；巷道流變是巷道在長期存在的過程中形成，發展較緩慢，是巷道的次要變形。通過上邊的數據顯示：①在巷道變形量中，巷道高度的變形是主要的變形，而頂板下沉是巷道高度變形的主要因素；②在同樣的支護方式條件下，不同區段的巷道變形差別明顯。所以在變形和受力分析中著重考慮巷道頂板的受力和變形及在不同地質條件下的巷道頂板的受力狀態。

2 巷道變形受力分析

根據錨索支護理論可知，預應力錨索對巷道支護的主要作用是對圍巖的懸吊和加固。懸吊作用主要是針對巷道開挖后在巷道周圍形成的松動巖層提供拉力支持；加固作用的對象是巷道周圍具有承壓能力的巖層進一步加強，使其具有更大的承載作用。支護參數選擇的依據就是要使錨索產生的拉力足以滿足上述2項要求。實際上，井下同一條巷道的不同區段的地質條件是不同的。而不同地質條件下圍巖本身的力學性質和需要提供的支護阻力也不相同。所以在同樣的支護方式下，巷道的變形量也差別很大。現就81302進風巷的地質條件為例作進一步的分類，以確定不同類型地質條件下巷道圍巖對應的力學模型。

陽煤集團二礦屬于地質構造復雜區域，由于地質條件的特殊性對巷道支護有特殊的要求，簡單的頂板懸吊和加固只適應穩定圍巖條件下的頂板支護，而在構造區這種理論有很大的局限性，尤其是在不同的地質構造條件下需要對錨索支護理念進行豐富和擴展。擴三區81302進風所處區域的地質構造在陽煤的地質復雜區具有一定的代表性。

2.1 完整頂板

地質條件特征：煤層及上覆巖層幾乎沒有受到地質運動的破壞，附存狀況良好，巷道上方的頂煤和直接頂具有較強的抗壓抗變形能力。符合此類條件的區段為3號礦壓站附近。

受力分析：上述地質條件下的巷道頂板圍巖比較完整具有較好的力學性能，受力狀況符合連續性組合梁的力學特征。連續性組合梁的特點是梁體內的應力主要是由彎矩引起的拉應力和梁體層間的剪應力。連續型梁的錨索支護作用主要是增加組合梁的支點，減小梁體的跨度。

減跨理論主要是基于梁或板為模型的理論提出的錨桿、錨索聯合作用原理。即當巷道頂板為層狀巖層時，其變形特征近似于組合梁的性質，此時錨桿或錨索的作用是通過錨桿或錨索的軸向作用力將頂板分層夾緊，以增強各分層之間的摩擦作用，并借助錨桿自身的橫向承載能力提高頂板各分層間的抗剪切強度以及層間粘結程度，使各分層在彎矩作用下發生整體彎曲變形，呈現出組合梁的彎曲變形特征，從而提高頂板的抗彎剛度和強度，但由于錨桿的作用并不能從根本上改變頂板的整體變形程度，必須通過錨索支護增加頂板組合巖層的支點，縮短梁或板的彎矩，減少其中因橫力產生的彎矩及彎曲應力、尤其是彎曲拉應力，從而有效減小頂板整體變形程度，提高整體的穩定性，如圖2所示。

圖2 錨索的減跨作用圖

變形特點：梁或板的變形特點主要是彎曲變形，巷道頂板彎曲屬于彈性變形，在不發生頂板破壞的情況下，這類巷道的變形量較小(3號礦壓站的離層變形為20 mm)。巷道目前采用的支護形式對管理此類頂板是有效的。頂部的4根5 m錨索的錨固點處于煤層的直接頂板中，使巷道頂板形成了一個多支點梁。

2.2 松軟煤層頂板

地質特征：井下煤層在長期附存過程中經歷多次的地質運動，這些地質運動對局部的煤層及煤層上下部的巖層形成明顯的破壞，具體表現為煤層松軟，節理發育，局部區段煤層幾乎沒有明顯的層理，抗壓抗彎曲的力學性質很差。在實際施工時，巷道頂部的局部或全部的煤層在實行支護之前會自行冒落，當然此時煤層上方的頂板巖層也較破碎。符合此類條件的區段為2號礦壓站附近。

受力特點：巷道周圍的圍巖有較大厚度的松散層，力學狀況較差，不足以單獨承擔巷道頂板壓力，所以必須借助錨索把壓力傳遞到較穩定深部巖層。由于巷道頂板煤層和巖層的破碎，內部應力方向不再是垂直于層離面，而是形成一個多方向的指向巷道截面重心的應力場，內部受力以壓應力為主，對于巷道周邊的巖層可近似看作一個平衡拱。此時錨索支護的特點是利用錨索的懸吊作用，但是錨索提供的是豎直向上的拉力，平衡拱的水平分力全部由圍巖煤體來承擔，對松散的圍巖形成了進一步的破壞作用。力學模型如圖3所示。

圖3 松散煤體的平衡拱模型

變形特點：此類巷道在使用錨索支護后仍能在短時期形成力學平衡，但由于圍巖狀況較差，巷道支護參數和巷道圍巖上的礦壓不完全匹配，所以巷道周邊被緊固的煤巖在礦壓和錨索預緊力的作用下局部被破壞并發生緩慢變形，當位移達到一定量后巷道圍巖受力狀況發生改變，導致巷道局部處于失穩狀態，所以變形量加大。下部圍巖的破壞變形會引起上部較穩定巖層的進一步破壞。所以巷道變形量相對較大，而且持續時間較長。因此此類巷道支護，錨索不但要滿足巷道松動圈的懸吊作用，而且需要加強對巷道側壓的支護和增加錨索密度，減少自由面的跨度，有效束縛出露巖層的變形。在支護參數的調整中，建議加大支護密度，錨索角度不再是沿重力方向布置，應該垂直于巷道周邊的切線。

2.3 節理發育煤層

地質特點：此類巖層仍屬于受破壞巖層，煤層以及煤層上覆巖層節理發育，除去節理面附近巖層其余部分還具有自承能力。符合此類條件的區段為1號礦壓站附近。

受力特點：此類巖層的受力特點類似于完整頂板巖層，但是巖層在節理面處屬于弱面，不承受剪應力。巷道地上覆巖層出露后相當于一端固定的懸臂梁。懸臂梁的受力還是以彎矩為主，由彎矩引起的內部拉應力在節理面處幾乎為零，而在巷幫懸臂梁的固定段拉應力達到最大值，在節理面處變形量最大。力學模型如圖4所示。

圖4 節理發育的懸臂梁模型

變形特點：此類條件頂板的變形類似于第一類頂板，但由于巷道中中部存在弱面，巷道中部的錨索拉力比一類頂板巖性條件下明顯較大，錨索拉力不但要滿足承載圍巖重量，而且要有效控制節理面的變形。以一類頂板條件為基礎設計的支護參數又可能不滿足有裂隙面的頂板要求。在81302進風巷中出現錨索斷裂情況的大多在這個區段。

3 巷道支護的改進

由于在實際施工中存在不同類型的頂板條件，所以在工作面設計中充分考慮不同地質條件下的不同受力特點，根據不同的力學模型去設計合理的巷道支護形式。而目前掘進規程中巷道支護參數的設計都是以一種頂板條件為依據確定的，在應對不同的地質條件時只是簡單地加強錨索數量，沒有針對措施，造成巷道采用的支護參數和巷道圍巖條件不適應。實際生產實踐是一個動態的過程，這就要求工程技術人員在制定掘進規程時不但要制定不同的支護方案，而且要加強現場的觀測。

3.1 按地質條件選擇支護方式

在實際的施工中，對不同地質條件的區段要有合理的支護。在支護理論中，跨度梁、平衡拱、懸臂梁屬于不同的力學模型。不同的力學模型巷道的支護形式和支護參數有明顯的區別，其中對跨度梁的支護主要是懸吊加固，加固原巖提高原巖的力學性能，此時錨索提供張力垂直于巖體的揭露面。松散煤體的平衡拱結構下錨索的主要作用是懸吊外圍巖體，給深部巖體一個壓應力以增強深部圍巖的承壓能力，此時的支護要點：錨索要垂直平衡拱法線，而且由于外圍松散層的存在錨索長度要相應加長。對于因節理存在而形成的懸臂梁結構，外圍巖石的受力類似跨度梁，區別之處在于對節理面的控制，因為巷道斷面的最大變形處于街里面處而非巷道頂板的中部。這3種力學模型均為典型的巖體力學模型，在工作面設計中應明確對應的支護形式而不是僅僅的后期加強措施。

3.2 建立常態觀測制度

巷道周圍的巖層在經過支護以后，基本處于一個平衡狀態，但是小量變形即流變仍然存在，而且這種變形是一種塑性變形，由于發展緩慢容易被忽略。流變對巷道的危害在于，當總變形量達到一定量后，初期的平衡條件被改變，在采動影響或地質運動的激發下，出現頂板跨落或錨索斷裂等情況。這也是主動支護的缺點，而且這種流變有可能被忽視。要求對錨索支護巷道建立常態礦壓觀測制度，當變形臨近或大于警戒值要引起注意，并有相應的應對措施。

3.3 分類觀測

在巷道掘進中不但要進行現有的巷道礦壓觀測和巖性探測，對相同頂底板狀況的巷道，還應進行進一步的分類。對目前施工隊區段具體屬于哪一類型頂板做出正確的認定，然后能及時向有關部門反映，商定科學合理的支護方式。

4 結論

(1)煤礦井下地質條件復雜多變，不同區段的巖體巖性區別明顯、存在各種不同的地質構造。在煤礦巷道實際施工中，力學模型和支護參數選擇不合理，是造成巷道變形過大、巷道頂板垮落的直接原因。

(2)巷道變形是由礦壓應變和巷道流變2部分構成，巷道高度的變形是主要的變形，而頂板下沉是巷道高度變形的主要因素。在同樣的支護方式條件下，不同區段的巷道變形差別明顯，所以著重考慮巷道頂板的受力和變形及在不同地質條件下的巷道頂板的受力狀態。

(3)跨度梁、平衡拱、懸臂梁統屬于不同的力學模型。不同的力學模型巷道的支護形式和支護參數有明顯的區別，應按不同的地質條件確定與之相應的支護形式。