層狀頂板巷道錨索破斷機理

李 鵬，來興平，沈玉旭

(1．西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.山西能源學院 礦業工程系，山西 晉中 030600)

0 引 言

煤礦巷道處于煤系地層中，其頂板往往具有層狀結構的特性[1-3]，此類巷道開挖使用過程中，巷道頂板受力特性類似板的彎曲，加之頂板巖層之間因剪切錯動而發生剪脹現象[4-6]，使得巷道頂板發生下沉，并伴隨錨索的破斷失效，而錨索支護對于巷道頂板的穩定性起到非常關鍵的作用[7-8]，因此給礦井的安全高效開采帶來諸多隱患。目前國內外學者針對層狀頂板巷道的變形破壞及支護技術和錨索的承載特性進行了大量研究，但對層狀頂板與錨索的相互作用導致錨索破斷鮮有研究，如王松陽研究了水滲流對薄層復合頂板的弱化影響[9]；吳新選等針對“三軟”復合頂板提出了讓均壓支護技術，并在王村煤礦13503工作面進行了工業性試驗，試驗結果表明復合頂板巷道圍巖變形得到有效控制[10]；惠功領等通過卸壓讓壓耦合支護技術實現了對高應力復合頂板巷道的合理支護[11]；蔣力帥等對復合層狀頂板的巖層結構做了分類并對冒頂隱患進行了評價分級[12]；吳德義等分析了原巖應力、巷道寬度、復合頂板巖性、復合頂板厚度及結構面黏結力和內摩擦角等因素對復合頂板離層的影響程度[13]；孟慶彬等針對深部軟弱破碎復合頂板矩形斷面煤巷易冒頂、大變形、難支護等特點，提出了兼具組合梁和組合拱承載效應的梁-拱錨固承載結構，有效維持了深部軟弱破碎復合頂板煤巷圍巖與支護結構的穩定及安全[14]；康紅普等基于實驗室進行的4種常用錨索鋼絞線的拉伸試驗和5組錨索托板的壓縮試驗，得到了不同錨索的力學性能參數[15]；楊仁樹等建立了一套錨索雙剪試驗系統，對預應力錨索的剪切力學特性進行試驗研究表明預應力錨索的剪切破斷為橫向剪切與軸向拉伸共同作用的結果[16]；李金華等基于B Benmokrane三階段線性函數建立錨固體與孔壁界面的剪切滑移本構模型，采用荷載傳遞函數法，對預應力錨索內錨固段剪應力沿軸向的分布規律進行了理論研究[17-18]；王衛軍等通過現場勘查與理論分析，認為軟弱厚層直接頂板錨索孔施工過程中的變形和安裝過程對錨固劑的破壞是導致錨索支護失效的主要原因并提出了基于厚層軟弱直接頂的新的錨索參數設計方法[19]；張農等將錨桿(索)支護失效形式劃分為粘結失效型、圍巖失效型、桿體破斷失效型、護表構件失效型等4類，在此基礎上，提出錨桿桿體強化、護表構件性能提升、樹脂錨固劑性能改造、圍巖滯后注漿等4項技術控制錨桿(索)支護破壞失效[20]；董恩遠等針對巷道支護失效形式，分析了考慮圍巖蠕變的錨固時空效應，提出了基于可接長錨桿的圍巖控制技術[21]。

因此，采用理論分析、數值計算及現場試驗等手段，分析層狀頂板巖層層面應力及錨索工作形態的分布規律，確定層狀頂板錨索的破斷機理，并提出相應的治理措施。

1 工程背景

趙莊煤礦為晉煤集團新建特大型礦井，設計生產能力800萬t/a，主采3號煤層。趙莊礦井下巷道，受頂板層理發育、埋深大、強采動、地質構造、淋水、斷面尺寸大等疊加作用，在使用過程中，圍巖變形較大，存在的巷道應力高度集中、支護材料及參數不匹配、巷道壓力控制困難等問題，造成巷道頂板錨索斷裂失效現象較多，錨索斷裂失效率約為25‰，對此需花費大量人力物力進行處置，不僅嚴重干擾生產，而且帶來安全隱患。

以井田內3盤區3308工作面為研究背景，工作面布置如圖1所示，33082巷與33081巷間區段煤柱寬度為40 m，工作面內3號煤層厚度一般為3.5～6.2 m，平均5.5 m，煤層傾角1～15°，平均8°，煤層埋藏深度600 m，煤層直接頂主要是層理發育的砂質泥巖，老頂為中砂巖。頂板巖層結構及巖石物理力學性質見表1。

表1 頂板巖層結構及巖石物理力學性質

圖1 3308工作面布置

趙莊煤礦3308工作面回采巷道設計采用全錨索支護頂板，工作面3條平巷在掘進一段距離后均出現不同程度的錨索破斷現象，如圖2所示，錨索破斷形態一般呈彎曲劈裂狀，無明顯頸縮現象，破斷位置主要位于巷道表面以里1～2 m的位置。

圖2 3308工作面巷道頂板錨索破斷失效特征

2 層狀頂板層理面應力解析

為揭示層狀頂板錨索破斷機理，首先應對巷道頂板巖層層理面上的應力分布規律進行分析，為此將矩形巷道的外接圓視為圓形斷面，根據雙向等壓圓形巷道的應力分布解析解及轉換方程求得頂板層理面法向與切向應力解析解。

圖3 雙向等壓巷道頂板層理面力學模型

根據圓形巷道的雙向等壓受力狀態的應力解析解[2]可知

(1)

(2)

則巷道頂板層理面上的法向與切向應力分別為

(3)

(4)

則有

(5)

式中σθ為切向應力，MPa；σr為徑向應力，MPa；σ為頂板層理面上的法向應力，MPa；τ為頂板層理面上的切向應力，MPa；p為靜水壓力，MPa；a為矩形巷道外接圓半徑，m；r為圓弧體內徑到外接圓圓心距離，m；θ為轉角，(°)；h為頂板層理面距巷道中心的距離，m。

式(5)解析結果表明，巷道頂板巖層層理面上的剪應力τ的分布規律與頂板層理面距巷道中心的距離h、巷道半徑a、轉角θ和法向應力σ有關，當θ=0時，巷道頂板巖層層理面上的剪應力τ=0。由此說明，巷道跨中頂板巖層層理面上的剪應力為零；頂板巖層層理面上的剪應力會隨層理面高度h值的增加而降低，會隨巷道半跨a值的增加而增加；頂板巖層層理面上的最大剪應力，發生在巷道兩幫的支承區域范圍，巖層層理面上的剪應力呈非均勻分布。

由此可以得出，錨固巖層中，在同一斷面和同一層位的不同部位，錨索所承受的剪應力不同；同一斷面和同一部位的不同層位上索所承受的剪應力也不同。錨索的布置方式和幾何參數，應與頂板巖層層理面上的剪應力分布規律相適應，以提高其支護效率，減少錨索的破斷失效。

3 層狀頂板錨索破斷數值模擬

3.1 模型建立

以趙莊礦3308工作面33082平巷為研究對象，巷道斷面尺寸為5 m×4.5 m，各巖層物理力學性質參見表2，頂板支護采用全錨索支護，錨索長度6.4 m，錨索間距1.1 m；建立包含層理的FLAC3D數值模型，模型尺寸為40 m×30 m×1 m，模型側面限制水平位移，底面固定水平及豎直方向位移。使用Interface單元模擬巖體中的層理不連續面，數值模型中Interface結構單元參數見表2。使用Cable結構單元模擬錨索并施加預緊力，每根錨索建立64個結構單元，65個節點，在模擬過程中將錨索尾部的節點進行剛性約束來模擬錨索托盤及鎖具[22-23]。埋深按600 m計，模型頂面施加15.0 MPa的上覆巖層壓力，側壓系數為1單元格由外及里逐漸加密，模型共計11 180個單元，數值模型如圖4所示。

表2 數值模型中Interface單元參數

圖4 數值模型

3.2 數值模擬方案設計

基于上述數值模型進行數值模擬試驗，設置了層狀頂板厚度、頂板層理不連續面數量、錨索預緊力大小3個維度的正交試驗組，計算方案見表3。

表3 數值模擬方案

3.3 數值模擬結果分析

利用FLAC3D中的List命令可以調出錨索單元每個節點的位置坐標，將其坐標導出后，在Origin中繪制錨索工作形態圖，如圖5所示，這樣就可將處于工作狀態的錨索可視化、數據化，方便判斷錨索破斷失效的位置及錨索的變形程度，由于模型具有對稱性，分析時僅選取錨索1，2，3。

圖5 錨索工作形態

首先從整體分析可知，位于巷道跨中的錨索3的工作形態幾乎不發生水平偏移，而位于巷道一側的錨索1，2均發生較明顯的水平偏移，且水平偏移量錨索1>錨索2，由于錨索的承載特性為抗拉不抗剪，當發生較大水平偏移時可認為錨索受層理面錯動剪切發生破斷失效，印證了前文分析所得結論即巷道跨中頂板巖層層理面上的剪應力為零，頂板巖層層理面上的最大剪應力，發生在巷道兩幫的支承區域范圍，巖層層理面上的剪應力呈非均勻分布。其次對各實驗組進行橫向對比可知，隨著層狀頂板厚度的增加錨索工作形態的水平偏移量增加，且錨索開始發生水平偏移的位置與層狀頂板的厚度基本保持一致；隨著層理數量的增加錨索的工作形態由“光滑型”向“鋸齒形”轉變，表明層理面數量的增加使得錨索受剪切的位置增多；隨著錨索預緊力的增加，錨索的水平偏移量減小。

為對正交實驗組進行縱向對比，并更加清晰的分析錨索的水平偏移量，選取各試驗組中錨索1的坐標進行放大，如圖6所示。若將錨索水平偏移量作為衡量錨索破斷指標，由圖可知，對錨索破斷影響程度排序為層狀頂板厚度>層理數量>錨索預緊力，由此可知，通過提高錨索預緊力，增加層理面之間正應力，減少層理錯動達到近似減少層理面的效果[24-25]，將層狀頂板厚度為2 m錨索1的直接頂0層理，錨索預緊力250 kN模擬方案與直接頂5層理，錨索預緊力50 kN模擬方案錨索工作形態進行對比，如圖7所示，可知錨索水平偏移量分別為65.8 mm和118.98 mm，偏移量減小約45%，因此提高錨索預緊力能夠有效防止錨索破斷。

圖6 錨索1工作形態放大

圖7 錨索預緊力作用效果對比分析

4 層狀頂板錨索破斷機理及井下治理試驗

綜合以上分析可知，層狀頂板錨索破斷的根本原因是錨索受層狀頂板各層理巖層錯動影響，導致錨索在受較大拉應力的條件下，同時受到巖層剪切作用所致，而埋深、巷道斷面、井下水、采動應力、支護參數等影響因素通過疊加均扮演著加劇這種柔性剪切的角色，疊加因素越多錨索就更易發生破斷失效。

為減少錨索的破斷失效應減少層間剪切錯動和離層，為此提出了“利用高強接長錨桿支護幫角，變全錨索支護為錨桿錨索分區協同支護”策略對趙莊礦33082巷支護方式進行了設計并開展了工業試驗，試驗段支護方案如圖8所示，觀測結果如圖9所示。其中，頂板采用MG500的螺紋鋼可接長錨桿，總長4 400 mm，預緊力500 N·m；采用1×19結構的錨索，錨索直徑21.8 mm，長度6 400 mm，預緊力300 kN。

圖8 支護方案

圖9 試驗段測站布置及現場觀測結果

在變全錨索支護為高強接長錨桿與錨索分區協同支護后，在巷道頂板幫角高剪應力區域采用高強接長錨桿支護，充分發揮了錨桿剛度大具有較高抗剪切的能力，巷道頂板中部區域仍采用錨索支護，避開了高剪應力區，發揮其高承載力的同時減少了錨索破斷失效的可能性。

如圖9所示，現場觀測表明趙莊礦33082巷道試驗段從掘進到工作面推進至測站位置，累計頂板下沉量為397 mm，通過在監測初期和末期的鉆孔窺視可知在支護范圍內頂板完整性良好，表明頂板剛度支護后顯著提高，進而有效的控制層狀頂板的離層與錯動，同時試驗段巷道監測期間沒有再發生錨索破斷現象，驗證了支護方案的可行性。

5 結 論

1)層狀頂板巖層層理面上的剪應力呈非均勻分布，巷道跨中頂板巖層層理面上的剪應力為零，頂板巖層層理面上的最大剪應力，發生在巷道兩幫角的支承區域范圍。

2)將錨索水平偏移量作為衡量錨索破斷指標，錨索發生破斷失效的可能性與層狀頂板厚度及層理數量呈正相關，與錨索預緊力呈負相關。

3)層狀頂板錨索破斷的根本原因是受各層理錯動的柔性剪切所致，埋深、巷道斷面、井下水、采動應力、地質構造等影響因素通過疊加均扮演著加劇這種柔性剪切的角色，疊加因素越多錨索就更易發生破斷失效。

4)現場試驗表明，在變全錨索支護為高強度接長錨桿與錨索分區協同支護后，趙莊礦33082巷道試驗段頂板剛度顯著提高，試驗段巷道服務期間未發生錨索破斷現象。