巷道高強度預緊力錨桿支護優(yōu)化方案及礦壓觀測研究

胡麗偉

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司，山西 太原 030052）

1 地質(zhì)概況

東曲礦現(xiàn)開采煤層以3#為主，均厚為6.15 m，傾角3°～7°，煤層賦存穩(wěn)定。以往的順槽煤巷支護采用錨網(wǎng)索支護方案，主要參數(shù)一般為：錨桿間排距均為0.9 m，錨桿長度2.2 m，錨索長度8.1 m，月掘進量為260 m。28216 巷道圍巖松軟，兩幫區(qū)域存在嚴重的片幫，頂板圍巖有較大形變，采用傳統(tǒng)支護時，破壞情況嚴重，無法滿足安全需要，增加錨桿數(shù)量會使得掘進速度下降，急需進行支護優(yōu)化。

2 高強錨桿支護方案[1-5]

2.1 主要配置參數(shù)

通過FLAC3D軟件搭建仿真圖，結(jié)合28216 工作面情況，選用摩爾庫倫模型[3]作為基礎模型，模型總高68 m，寬度100 m，長度40 m，底部預留12 m 厚的巖層。巷道截面寬度5.1 m，高度3.0 m，整個巷道置于煤層中間，埋深500 m。為了直觀觀察巷道支護情況，僅對部分巷道上部55 m 的巖層進行模擬，其余445 m 上覆巖層的作用力通過頂部均布載荷來替代。

2.2 方案對比

1）普通錨網(wǎng)索支護方案

普通錨網(wǎng)索支護方案：普通螺紋鋼材質(zhì)錨桿，長2 m，直徑20 mm，布置錨桿7 根，頂錨桿間排距900 mm×900 mm；錨索規(guī)格為長6300 mm，直徑17.8 mm，采用隔排布置策略；錨桿、錨索搭配6 mm 鋼筋網(wǎng)對巷道進行支護。

2）加強型錨網(wǎng)索支護方案

為解決普通錨網(wǎng)索支護方案在28216 工作面圍巖松軟地質(zhì)應用時，巷道發(fā)生形變的問題，通過改進優(yōu)化得到加強型錨網(wǎng)索支護方案。具體參數(shù)如下：錨桿采用普通螺紋鋼材質(zhì)，長2000 mm，直徑20 mm，頂錨桿間排距為800 mm×800 mm；錨索規(guī)格不變，但頂板錨索采用五花布置，巷道兩幫中間位置增加錨索，幫錨索隔排布置。

3）高強度預緊力錨桿錨索支護方案

采用高強度材質(zhì)錨桿，長2400 mm，直徑20 mm，頂錨桿間排距均為800 mm，幫錨桿間距900 mm、排距800 mm，單側(cè)施工使用3 根幫錨桿；采用高強度材質(zhì)錨索，規(guī)格為長7300 mm，直徑21.6 mm，巷道頂板錨索五花布置。此外，還對錨桿施加預緊力，抵抗巷道形變，扭矩大小設定為400 N·m。高強度預緊力錨桿錨索支護方案如圖1。

圖1 高強度預緊力錨桿錨索支護方案（mm）

2.3 仿真結(jié)果對比

在仿真模擬中，普通型錨網(wǎng)索支護方案巷道頂板的應力集中區(qū)達2～3 m，巷道巖層自承能力喪失，且出現(xiàn)了明顯的破碎，頂板發(fā)生大幅度位移，頂板下沉量達800 mm；巷道兩幫的應力集中區(qū)達3～4 m，應力最大峰值約30 MPa，尤其是兩幫水平位移嚴重，兩幫鼓起程度較大，最大變形達700 mm。巷道支護效果不理想，達不到設計預期，存在安全隱患。

加強型錨網(wǎng)索支護方案在仿真模擬中，通過錨索支護作用改進，巷道頂板與兩幫的應力集中區(qū)域影響范圍縮小，頂板位置的應力集中區(qū)減小至1.5 m 以下，巷道兩幫應力集中區(qū)減小至2～3 m 范圍，應力集中區(qū)邊緣向巷道內(nèi)側(cè)移動，應力峰值降至24 MPa。說明巷道頂板與兩幫的支護效果得到改善，圍巖受力狀況更好。但巷道頂板應力集中區(qū)相對面積仍然較大，頂板下沉量由原來的800 mm 下降至600 mm，下沉量仍然較大。在28216 工作面巷道松軟巖層地質(zhì)情況下，大面積破碎卸壓會引發(fā)頂板垮塌，隨著時間積累，生產(chǎn)安全隱患仍未完全消除。

高強度預緊力錨桿錨索支護方案在仿真模擬中，巷道圍巖受力范圍明顯縮小，頂板應力集中區(qū)與兩幫應力集中區(qū)大幅度減小，巷道頂板集中應力區(qū)小于300 mm，圍巖層的自承能力恢復，頂板下沉量由原來的800 mm 下降至129 mm；巷道兩幫的受力形變位置明顯減少，兩幫應力極值降至22.5 MPa。說明通過采用高強度錨桿與錨索、改進不同位置的布置策略，巷道支護達到預期效果。

3 支護方案礦壓觀測

為了驗證高強度預緊力錨桿錨索支護方案的有效性，在28216 巷道中選擇合理觀測點，采集受力情況與形變量參數(shù)值進行驗證。

3.1 觀測點情況

在28216 巷道設立兩處觀測點，觀測點間距為100 m，對觀測點位掘進期間的位移量、錨桿與錨索的受力數(shù)值、頂板離層情況分別進行采集與記錄。

3.2 觀測點數(shù)據(jù)對比與分析

1）觀測點位移量數(shù)據(jù)

將觀測點1#與觀測點2#的兩幫、左中、頂?shù)住㈨斨形灰屏繑?shù)據(jù)通過折線圖進行統(tǒng)計，如圖2 所示。

圖2 觀測點位移量變化曲線

從圖2 可以看出，在距迎頭距離8 m 內(nèi)，觀測點1#巷道未發(fā)生形變；在距迎頭距離5.3 m 內(nèi)，觀測點2#巷道未發(fā)生形變。說明在掘進開始階段，巷道內(nèi)部自承能力良好。但兩個觀測點超過掘進距離閾值后，巷道開始出現(xiàn)形變，隨著掘進距離的增加，形變量逐漸變大，達到形變量極值后趨于穩(wěn)定。圖2（a）與圖2（b）中的形變量參數(shù)均在掘進距離達到65 m 左右趨于穩(wěn)定，其中，掘進距迎頭65 m 后，觀測點1#的頂板最大形變量為23 mm，兩側(cè)巷道的最大位移量為19 mm；觀測點2#的頂板最大形變量為17 mm，兩側(cè)巷道的最大位移量為12 mm。通過上述形變量數(shù)據(jù)可以看出，采用高強度預緊力錨桿錨索支護方案后，頂板與兩幫的圍巖支護效果良好。

2）觀測點錨桿受力情況數(shù)據(jù)

觀測點的錨桿受力情況通過加裝測力計進行記錄，在觀測點1#共布置測力計7 個，其中頂板錨桿5 個，兩幫位置2 個；在觀測點2#共布置測力計8 個，其中頂板錨桿6 個，兩幫位置2 個。

不同掘進距離下錨桿測力計數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 不同掘進距離錨桿測力計數(shù)據(jù)圖

從圖3 可以看出，將距迎頭距離12.8 m 處的受力情況視為觀測點1#初始狀態(tài)，隨著掘進距離的推進，各錨桿的受力均不同程度增加。其中，1 號觀測點5#與7#的錨桿受力變化幅度較大，受力由52 kN 提升至95 kN，其余錨桿受力基本一致，在掘進距離達到50.4 m 后趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生變化。將距迎頭距離8.8 m 處的受力情況視為觀測點2#初始狀態(tài)，隨著掘進距離的推進，1#錨桿受力情況變化幅度最大，受力由60 kN 增加至105 kN，其余錨桿受力基本一致，在掘進距離達到52 m 后達到穩(wěn)態(tài)。

3）頂板離層情況

通過對頂板離層情況進行統(tǒng)計，有助于分析支護效果，頂板離層隨掘進距離變化情況如圖4。

圖4 頂板離層情況統(tǒng)計圖

從圖4 可以看出，頂板離層在淺部區(qū)域變化較快，達到一定距離后基本保持不變。圖4（a）中，距迎頭0.5 m 開始，頂板離層值逐漸增加，距迎頭22 m 后，頂板離層值穩(wěn)定在7 mm。圖4（b）中，距迎頭0.5 m 開始，頂板離層值逐漸增加，距迎頭19.6 m 后，頂板離層值穩(wěn)定在7.5 mm。兩個觀測點的離層值均在合理范圍內(nèi)，頂板支護效果較好。

4）掘進效率

通過對高強度預緊力錨桿錨索支護方案的實際應用，28216 工作面的巷道掘進距離滿足生產(chǎn)效率要求，月掘進距離達到330 m 以上，支護效果良好，巷道頂板與兩幫未見大范圍形變。

4 結(jié)論

1）對普通型、加強型與高強度預緊力錨桿錨索支護方案進行設計，借助FLAC3D軟件，對巷道頂板、兩幫的應力集中區(qū)受力情況進行研究，說明通過采用高強度錨桿與錨索、改進不同位置的布置策略，可降低應力極值、減小應力集中區(qū)面積，巷道支護達到預期效果。2）通過28216 工作面的現(xiàn)場驗證，高強度預緊力錨桿錨索支護方案的巷道形變量減小，頂板形變量最大值為23 mm，巷道兩幫移近量最大值為19 mm，錨桿受力均衡，頂板離層程度減弱，掘進效率達到生產(chǎn)要求。