巷道圍巖錨桿（索）支護附加應力場影響因子探究

黃 俊

（同煤集團忻州窯礦安監站，山西 大同 037021）

1 引言

錨桿支護是控制巷道圍巖形變、巖層離層、頂板垮落的常見方式。錨桿形成的附加應力場與巷道開挖后的次生應力場產生相互作用力，形成井下綜合應力場，保持巷道圍巖各巖層的穩定[1]。本文結合忻州窯礦7 號煤層的實際參數和支護條件，進行了分組探究性試驗，進一步明確預緊力、間排距以及錨索布置方式對錨桿支護附加應力場的影響效果，從而找到最優的支護方案。

2 模型參數設定及建立

同煤集團忻州窯礦采用綜采放頂煤工藝，平均厚度為7.23m，地層傾角2°~5°之間，工作面長度200m，生產能力超過1.5M/a。通過地質報告獲取了7 號煤層頂底板巖石的具體參數。在FLAC3D數值模擬軟件中，采用摩爾庫倫模型進行應力場變化計算，忽略地應力、重力加速度影響，以cable單元表示錨桿，以pretension 參數表示預緊力，構建（x，y，z）為（50，30，48）的巷道環境模型，選取中間位置，以group、delete 參數設定5m×4m的巷道。

3 預緊力與錨桿支護附加應力場關系試驗

為確定預緊力與錨桿支護附加應力場之間的關系，選取單根錨桿和錨索進行探究性試驗。基本要求如下：選定巷道頂部中間位置，插入一個錨桿或錨索，通過改變預緊力數值，得到一系列的錨桿（索）附加應力場效果圖。其參數設計方案如表1 所示。

表1 單錨桿（索）下預緊力參數設計方案

3.1 相同預緊力下錨桿（索）的附加應力場特征

經過多組試驗比較可知，在不同預緊力情景下，單根錨桿（索）的附加應力場表現出相近特征，故選取40kN 的預緊力參數進行相同預緊力的錨桿（索）附加應力場分析更加有說服力，其附加應力等值面如圖1 所示。

圖1 40kN 下錨桿（索）附加應力等值面圖

在預緊力參數值相等的情況下，錨桿與錨索在托盤位置出現了附加壓應力峰值且附加應力向圍巖深處逐漸減小。其中，錨桿的附加壓應力值集中在托盤附近，錨固段幾乎沒有產生附加拉應力；錨索的附加應力則快速下降，其錨固段附近出現了附加拉應力，十分明顯。在巷道圍巖加固中，附加拉應力會產生負作用，故需要避免在錨固段附近存在分離層和巖層分離面[2]。

3.2 不同預緊力下錨桿（索）的附加應力場峰值變化

在10 組試驗的基礎上，結合錨桿（索）產生的附加應力場形態圖，對不同預緊力的錨桿（索）附加應力場峰值進行了記錄和整理，并以應力峰值來衡量預緊力對附加應力場的影響作用，從而明確預緊力與附加應力場之間的關系。

通過錨桿（索）附加應力峰值曲線圖可以看出，預緊力與錨桿附加應力場之間存在著正相關的線性關系，即隨著預緊力的增加，錨桿（索）附加應力峰值增加。這一研究成果為同條件下增加錨桿（索）預緊力提高支護性能提供了可靠的試驗依據。

4 間排距與錨桿（索）附加應力場關系試驗

為確定間排距與錨桿（索）附加應力場之間的關系，選取60kN 的錨桿、120kN 的錨索進行逐一試驗。基本要求如下：在巷道圍巖頂底板選擇同一預緊力的錨桿或錨索，采用相同的布置結構，只允許間排距參數不同。其具體方案如表2 所示。

表2 錨桿（索）群間排距參數設計方案

通過錨桿（索）的6 組試驗，明確了間排距與錨桿（索）附加應力場之間的關系。由于錨桿（索）采用了同樣的間排距參數，并且對應參數下其附加應力場效果差異性不大，故選取了更為常見的錨桿附加應力進行規律分析。試驗得到的效果圖如圖2所示。

圖2 不同間排距下附加應力場效果等值圖

從圖2 的附加應力場等值效果看，當錨桿群的間排距為600×600mm 時，圍巖頂、兩側以及底板出現了較小的外圍壓力，巷道圍巖形成了均勻連續的附加壓應力區，能夠保障巷道的穩定不變性。而隨著間排距的增加，尤其是1000×1000mm 時，附加壓應力的值正在減小，附加壓應力區出現薄弱位置，即將出現斷裂，且錨固段的附加拉應力區在巷道兩側明顯增大，對巷道支護的穩定性影響較大，不利于長期支護。

5 錨索布置方式與錨桿（索）附加應力場的關系

為了確定錨索布置方式與錨桿（索）附加應力場之間的關系，選取800×800mm 的間排距方案，在錨桿（索）群試驗的基礎上進行錨索布置方式的研究。基本要求：在保障預緊力、間排距條件一致的情況下，探究錨桿群增加不同錨索布置方式后巷道圍巖附加應力場的效果。其具體設計方案如表3所示。

表3 錨索布置方式參數設計方案

為了能夠突顯出錨索布置方式的不同對試驗結果的影響，選定了兩個對附加應力場作用效果較差的參數。采用同樣的數值模擬方式，對巷道圍巖的附加應力場進行了數值化處理和分析，得到了對應布置方式的附加應力場等值效果圖。通過比較可知，在錨桿群預緊力相同的情況下，巷道圍巖的頂底板、巷道兩側的附加拉應力場的數值、范圍大大縮小；巷道圍巖周圍的附加壓應力場薄弱點消失，形成了連續、穩定的附加壓應力區[3]。這一變化有效地證明了錨索布置能夠發揮增強巷道圍巖穩定性的作用。同時，在不同錨索布置方案中，“三花”、“五花”都能夠較好地為巷道圍巖頂板提供強大、連續、均勻的附加壓應力，確保巷道綜合應力場達到新的平衡，而“二二”布置方式則無法為巷道圍巖頂板提供較大的附加壓應力，存在著支護風險[4]。總之，錨索布置方式能夠增加錨桿（索）支護效果，且“三花”、“五花”布置方式效果較為理想。

6 現場應用效果

綜采放頂煤工藝具有開采速度快、回采擾動大、圍巖破碎嚴重等情況。出于對煤礦開采安全考慮，確定了錨桿預緊力參數為60kN，間排距參數為600×600mm；錨索預緊力參數為120kN，布置方案設計為“五花”的巷道圍巖支護方案。此方案應用在綜采工作面上下平巷支護。為證明此支護方案的有效性，對上下平巷圍巖的頂底板變形量和兩幫的變形量進行了跟蹤監測。在工作面向前推進的同時，布設相應的觀測點，對與工作面相距140m 的距離進行了長期位移監測。在距離工作面100m 內，巷道的頂底板和兩幫基本沒有出現變形，隨著距離的縮短，巷道的頂底板與兩幫出現了不同程度的變形，尤其在0~40m 之間，圍巖兩幫的累計偏移量平均超過200mm，頂底板的偏移量超過150mm。與之前其他支護方案相比，此方案的偏移量相對較少，具有控制圍巖變形的作用。

7 結論

通過試驗與現場應用的綜合性研究，明確了巷道圍巖錨桿（索）支護附加應力場與預緊力、間排距以及錨索布置方式之間的內在關系，為更多的巷道圍巖支護工作提供了理論依據和方案指導。具體如下：

（1）錨桿（索）支護附加應力場大小與預緊力大小正相關，隨著錨桿（索）預緊力的增大，附加應力場也會相應增加。

（2）在一定范圍內，隨著錨桿間排距的增加，附加應力場的壓應力程度、區域連續性以及支護影響范圍會逐漸減小，使附加應力區出現薄弱位置，影響支護效果。

（3）錨索布置方式能夠明顯增強錨桿附加應力場的支護效果，擴大連續、均勻的應力場區，能夠為錨桿（索）支護提供強有力的支撐，形成更加穩定的綜合應力場。