基于錨桿錨索支護條件下圍巖穩定性分析

王二喜

（山西樓俊集團趙家莊煤礦，山西 柳林 033300）

煤礦巷道開挖后，圍巖應力重新分布，錨桿與圍巖的耦合作用可以有效提高軟弱、破碎巖層的承載能力，因此錨桿支護廣泛應用于礦井巷道的支護［1］。在實際工程中，施工工藝、地質條件及巷道斷面等參數的不同導致支護參數有差異［2-3］。礦山巷道不同于地下工程中的隧道及地鐵工程，巷道斷面主要有圓形、拱形、矩形、梯形等，不同斷面形狀的巷道受力特征差異較大。對于矩形巷道而言，大部分學者通過數值模擬方法求解塑性破壞范圍，這與實際工程有差異；對于矩形巷道圍巖穩定性的問題，應當將頂板控制和兩幫維護視為一個有機整體，以整體性的錨固結構評價圍巖受力變形特征更切合工程實際。為此，本文擬從理論計算、數值模擬及工程應用等方面出發，初步探討矩形巷道錨桿錨索支護技術。

1 工作面概況

趙家莊煤礦1001 工作面運輸巷頂底板整體上呈現西高東低的趨勢，工作面地表為工業園區，其余為平緩的沙丘地帶。工作面北以1001 回風巷為界，南側為1001 運輸巷，東側為采空區，西側為1002 設計工作面。工作面煤層以亮煤為主，煤層平均厚度為3.1 m，中部含有0.3 m 夾矸，無明顯斷層，賦存穩定。

2 支護模型分析

為了分析錨桿錨索支護的力學特性，建立力學模型簡圖見圖1。圖中q、e分別為上覆巖層、兩幫圍巖對巷道的作用力；X1、X2、X3分別為截面所受剪力、彎矩和軸力，錨桿錨索提供的支撐力為Fm，其中，力單位為kN，彎矩單位為kN·m。

圖1 錨桿錨索力學模型簡圖

對支護結構進行力學分析，做以下假設：

（1）巷道寬度為b，高度為l，單位為m；

（2）巷道頂板中間位置處載荷對稱性的關系，因此忽略軸力X3作用；

在外載荷作用下，力學模型中頂板左側及巷道左幫界面彎矩可分別用公式（1）、（2）表示：

因此可以計算得到頂板左側位移量Δ1、巷道左幫位移量Δ2：

式（3）、（4）中：EdId為頂板的剛度；EbIb為巷道兩幫的剛度，N·m。

力學模型對稱，因此頂板右側的位移量等于頂板左側的位移量，巷道右幫的位移量等于巷道左幫的位移量，根據建立的力學模型，可計算頂板最大剪力和最大彎矩值，分別用公式 （5）、（6）表示：

同理得到巷道兩幫最大剪力和最大彎矩值，分別用公式（7）、（8）表示：

實例中，矩形巷道的實際寬度5 m，高度為4 m，原有支護方案下，錨桿錨索軸力值為150 kN，巷道埋深按照250 m 計算，巷道頂板的最大彎矩值150 kN·m，最大剪力值為60 kN；兩幫最大彎矩值128 kN·m，最大剪力值為48 kN。巷道圍巖實際彎矩值及剪力值大于最大值時，巷道圍巖便發生失穩現象。

3 支護穩定性分析

錨桿錨索聯合支護下，巷道的穩定性分析主要包括變形穩定性和強度穩定性兩方面。變形穩定性主要是指頂板下沉量及兩幫收斂量均在允許范圍內，該部分分析以實際工程為例；強度穩定性主要是指在錨桿錨索聯合支護作用下，圍巖承載體的剛度及強度性能提高。借助FLAC3D數值模擬軟件對相同錨索支護下不同錨桿間排距及軸力下圍巖變形的影響進行分析，其數值模擬條件如下：

1）巷道寬度為5 m，高度為4 m；

2）錨索直徑17.8 mm，長度7 000 mm，錨索間距為4 000 mm，錨索提供的軸向應力值為150 kN。

3）對于頂板巖層而言，巖層的彈性模量為20 GPa，內聚力為1.2 MPa，內摩擦角為30°，容重為26 kN/m3；對于巷道兩幫巖層而言，巖層的彈性模量為10 GPa，內聚力為0.8 MPa，內摩擦角為30°。

錨索支護方式相同，模擬錨桿不同間排距及軸力下圍巖的變形量，得到的模擬結果見圖2。從圖中可知，隨著錨桿間排距的增加，頂板下沉量及兩幫收斂量均呈現逐漸增大的趨勢，當錨桿間排距為0.8 m 時，頂板下沉量及兩幫收斂量值均最小，分別為20 mm、7 mm，錨桿間排距為1.5 m時，頂板下沉量及兩幫收斂量值均最大，分別為24 mm、10.4 mm，漲幅分別為20%、48.57%，可見錨桿間排距對于巷道兩幫變形影響更明顯；錨桿軸力不同，圍巖變形量也有差異，總體而言，隨著錨桿軸力的增加，圍巖變形量呈現遞減的趨勢，錨桿軸力為40 kN時，頂板下沉量及兩幫收斂量值均最大，分別為26 mm、12 mm，錨桿軸力為100 kN時，頂板下沉量及兩幫收斂量值均最小，分別為20 mm、6.1 mm，降幅分別為23.07%、49.17%，可見錨桿軸力對于巷道兩幫變形影響更明顯。

圖2 錨桿間排距及軸力對圍巖變形的影響

綜合分析錨桿間排距和軸力對圍巖變形的影響，較小的錨桿間排距和較大的錨桿軸力下巷道圍巖變形量最小，但在實際工程中，出于成本考慮，應該選擇最佳的錨桿間排距和軸力進行巷道圍巖的支護，以維護巷道的穩定性。

4 應用分析

以1001 運輸巷為工程應用實例，其巷道支護方案設計如下：巷道頂板選擇直徑22 mm，長度1 600 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，每排布置6 根，每根錨桿需配合使用一支Z2360 和一支K2335 樹脂藥卷，錨桿軸力為50 kN，間排距為900 mm×900 mm；巷道兩幫選擇直徑為18 mm，長度為1 800 mm 的圓鋼錨桿，錨桿的錨固力為40 kN，每排布置兩根錨桿，同樣需配合使用一支Z2360 和一支K2335樹脂藥卷，所有錨桿在施工過程中需保證托板的外漏長度小于30 mm；錨索直徑17.8 mm，長度7 000 mm，錨索間距為4 000 mm，錨索提供的軸向應力值為150 kN，每根錨索需配合使用三支Z2360 樹脂藥卷，同時頂板用規格為Φ6.5 mm×150 mm×150 mm 的鋼筋網片進行加強支護。

根據支護、巖性參數，分別代入公式（5）、（6）、（7）、（8）計算，得到頂板的最大彎矩值35.54 kN·m、最大剪力值為55 kN，兩幫最大彎矩值19.54 kN·m、最大剪力值為30.54 kN，各參數均小于理論計算值，支護方案滿足強度要求。

巷道掘進支護后，對其頂板及圍巖變形進行為期15 天的跟蹤監測。監測結果顯示，在監測初期5 天內，巷道圍巖變形速率較大，監測天數達到12 天后，變形量逐漸趨于穩定，監測過程中，頂板最大下沉量20.81 mm，兩幫最大變形量6.86 mm；新支護方案有效控制了圍巖的變形，現場施工時間縮短了22.8%，以較低的成本提高了圍巖結構的整體性，經濟效益顯著。

5 結論

1）基于矩形巷道錨桿錨索力學模型分析，得到巷道頂板及兩幫最大剪力和最大彎矩值，用于判斷巷道是否失穩。

2）通過錨桿錨索聯合支護分析，認為較小的錨桿間排距和較大的錨桿軸力下對于維護巷道穩定性效果最佳。

3）擬定錨桿錨索聯合支護方案，工程應用表明，能有效控制圍巖的變形，支護方案具有短時間、低成本、高強度特點，充分發揮圍巖承載能力和錨桿支護強度的優勢。