預應力錨索全長錨固承載特征與解析應用

鄭海建 許瑞強

（山東唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272050）

隨著礦井開采水平的延伸，大埋深、高地應力礦井面臨越來越多的支護問題[1]。因錨桿、錨索等支護材料失效，引發多起頂板冒落傷人事故，因此深井巷道對支護技術、材料的要求更加嚴格。唐口煤業公司開采水平為-990 m 水平，主采3（3上）煤層，其頂底板均為泥巖，具有埋藏深、地壓大、圍巖軟等特點。大斷面回采巷道變形破壞嚴重，突出表現為：頂板下沉、底板鼓起、兩幫收斂，斷面收縮率可達50%以上，嚴重影響了工作面的正常回采。

高強錨注與全錨支護是解決深部復雜巷道支護的重要技術手段，大量專家、學者進行了相關的研究與試驗[2，3]。測力錨桿實時在線監測反饋：全長錨固錨桿軸力曲線成拱形分布，即兩端軸力小，中間軸力大，其中最大軸力以及分布形式與錨桿預緊力大小及圍巖條件相關。全長錨固錨桿軸向承載特征與端錨不同，同樣預應力錨索全長錨固承載特征也不同于端錨錨索。本文以預應力錨索全長錨固支護技術為基礎分析預應力全長錨固錨索受力狀態[4]。理論分析認為錨索全長錨固提高支護系統剛性[4]：離層弱面的軸向附加應力σZ增大和弱面的抗剪性能提高，但是沒有解決錨索軸向承載特征，其軸力疊加性與分段承載性也缺乏深刻認識。

1 全長錨固載荷特征分析

根據新奧法理論：巷道掘進開挖后，應力重新分布，圍巖內彈性應變能隨著圍巖的變形迅速釋放。煤系地層在沉積成巖與后期構造影響下，巖層內存在大量的層面、節理等弱面，使圍巖的力學參數降低。支護初期巷道的變形主要由層面、裂隙等弱面的非連續變形組成，即裂隙弱面擴容變形，圍巖整體性位移；后期失穩多數因巷道持續的破壞性變形，即巖塊裂隙產生、擴展、破壞。巷道支護的目的是阻止圍巖的持續變形、破壞，方法是：（1）通過提高弱面的強度來提升圍巖體的整體強度；（2）施加外壓，提高破壞巖體的殘余強度。

1.1 軸向承載特征分析

針對預應力錨索全長錨固，錨索軸向承載主要由兩部分組成：（1）錨索施加的預應力p0；（2）全錨后因巷道圍巖變形產生的附加軸力▽p。現假定弱面與錨索垂直，在不考慮重力因素影響，弱面任一側都可以等效成長度為L的錨索受集中拉力▽p。依據短錨固拉拔試驗[3，5]：曲線a 代表拉拔力低時錨固段未破壞時的軸力曲線，曲線b 代表拉力大時錨固段發生破壞的軸力曲線，見下圖1。曲線a 說明：拉拔試驗時拉拔力較小，錨固劑未脫黏，剪應力集中分布在錨固近端；曲線b 說明：拉拔力增大，近端剪應力大于錨固劑黏結強度，近端桿體存在局部解耦，剪應力向遠端重新分布。

圖1 短錨固拉拔桿體軸力曲線

依據物理經典力學的疊加原理，預應力錨索全長錨固軸向承載特征存在以下兩種情況[5]：

（1）如果圍巖體存在多個弱面，某一位置處每個弱面都產生相對應的附加應力▽p：則P=p0+▽p1+▽p2+……，即在裂隙面影響下，預應力與附加軸力是疊加的。

（2）如果圍巖體存在多個弱面，某一位置處某弱面產生附加應力▽p2=0：則P=p0+▽p1，即不同弱面產生的附加軸力是分散的。

1.2 抗剪承載性能

對于支護可靠性與抗剪性能可參考研究成果[6]，全錨階段節理弱面抗剪能力F剪可用如下公式表示：

式中：F剪為全錨的抗剪性能，MPa；a、b分別表示錨索間排距，m；σc表示圍巖弱面抗剪強度，MPa；σz表示圍巖弱面的法向應力，假設僅有錨索提供，MPa；f1表示圍巖弱面的靜摩擦力系數；σ1、A1表示錨固劑的抗剪強度與截面積，MPa、m2。

1.3 支護效能

預應力錨索全長錨固支護效能體現在弱面圍巖軸向附加應力σz與橫向弱面抗剪性能F剪的大小，最終反映到錨索載荷承載特征上，即錨索給予附近裂隙圍巖支護強度高，軸力相應增大。其全長錨固的分段受力、分段支護反映到錨索軸力的高低起伏上，這也是全長錨固提高支護系統剛性的核心。

2 全長錨固數值解析

2.1 地質條件

唐口煤業3（3上）可采煤層3（3上）厚度4.0 m，上覆巖層為2.0 m 泥巖、2.0 m 砂質泥巖、0.5 m 泥巖、3.5 m 的砂質泥巖、細中砂巖，底板為4.0 m 泥巖、10.0 m 砂質泥巖，下覆20.0 m 細砂巖。

依據實測地應力數據，最大水平主應力27.63 MPa，方位角343.2°，傾角9.5°；中間垂直主應力18.68 MPa，方位角221.0°，傾角71.3°；最小水平主應力17.35 MPa，方位角72.3°，傾角4.5°。

支護：錨桿樹脂全錨，間排距800 mm×1000 mm；錨索注漿全錨，間排距1200 mm×1000 mm，“3-1-3”布置。

巖層為近水平巖層，在頂板2.0 m 與薄煤層界面存在離層弱面，巷道為矩形斷面，寬度5.0 m，高度3.0 m。

2.2 數值建模

地層依據地質條件建立，分別在頂板2.0 m、4.0 m 設置兩個離層面（inter1），見圖2。

圖2 FLAC3D 建模模型

應力設置：巷道與最大主應力夾角70°，依據應力轉換公式計算得到。巷道水平應力sxx 值-26.46 MPa、syy 值-17.19 MPa，垂直應力szz-15.85 MPa。

為模擬煤巖體的力學行為，本次數值模擬煤巖體采用應變軟化屈服準則。摩爾庫侖屈服準則如下：

式中：σ1、σ3分別是最大和最小主應力；c，φ分別是黏聚力和摩擦角。當fs＞0 時，材料將發生破壞。

2.3 數值計算

2.3.1 開挖與支護

下圖3 為數值計算開挖與支護圖。錨桿采用rockbolt 模型，桿體延伸率高（≥15%）；錨索采用cable 模型，可施加預緊力10 t。

圖3 巷道錨網支護圖

2.3.2 錨桿/錨索軸力監測曲線

下圖4 為頂板錨桿/索軸力監測曲線，由監測曲線分析：

圖4 頂板錨桿/錨索軸力監測曲線

（1）錨桿托盤端軸力60 kN，深部1.4 m 處軸力最大至120 kN，深部2.4 m 錨固區軸力30 kN；

（2）錨索托盤端軸力135 kN，深部1.7 m 處軸力至第一峰值340 kN，深部4.0～4.5 m 處軸力至第二峰值200 kN，錨索端錨區軸力100 kN；

（3）節理弱面位于淺部2.0 m 與深部4.0 m，錨索峰值恰好位于此區間。

2.4 數值解析

（1）錨索淺部軸力135 kN，樹脂錨固段5.0～6.0 m 軸力從120 kN 降至10 kN，說明錨索預應力將淺部卸荷轉移到深部；

（2）錨索淺部峰值區，最大軸力340 kN，位于弱面附近，兩側谷值在130 kN（預應力100 kN）左右，對弱面產生附加軸力210 kN，峰值軸力是弱面1 附加▽p1與預應力p0的疊加；

（3）淺部2.0 m 軸力峰值與4.0～4.5 m 軸力峰值不相關，中間谷值低于托盤段135 kN，兩者軸力沒有疊加，體現錨索在不相關的弱面產生的軸力分散承載；

（4）錨索托盤軸力135 kN 遠低于第一峰值340 kN，全長錨固減小了因托盤應力集中造成淺部圍巖擠壓破碎；

（5）錨桿軸力成拱形，全錨錨索整體呈拱形，因為存在預應力與節理弱面，呈波動狀態，在重力g 影響下，峰值位置與弱面存在微小偏移。

3 結論

（1）錨索局部軸力呈拱形，整體趨勢也呈拱形，既對弱面有效控制，又將淺部卸荷轉移到深部；

（2）錨索軸力呈現疊加性與分散性，預應力與弱面產生的軸力相互疊加，多個弱面產生的軸力分散承載；

（3）托盤端不再產生高應力集中區，可有效減小托盤對淺部圍巖的擠壓破壞；

（4）預應力錨索全長錨固提高了支護系統的剛性，錨索增阻快，支護及時高效。