煤礦巷道不同部位錨索的受力規律研究

麻曉東

（山西焦煤霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033000）

錨索與錨桿作為支護巷道圍巖的主要材料，錨索能夠承受的預緊力要大于錨桿，并且錨固的巖層也更深，加固范圍更廣。研究人員對于不同情況下錨桿的加固機理和受力特點進行了研究[1-5]，卻鮮有人研究煤礦錨索的受力情況和支護效果。為了掌握巷道頂板中錨索的受力特點和支護效果，以店坪煤礦二采區9#煤巷道為研究背景，通過數值模擬的方式分析巷道頂板的變形特點[6-7]，研究各長度錨索的受力情況和支護效果，為相關工程提供指導和借鑒。

1 概況

二采區9#煤層位于太原組中部，含有1～4 層砂質泥巖夾矸，夾矸總厚度為0.2～0.35 m，平均厚度0.25 m。工作面范圍內煤層厚度較穩定，厚度為2.4～3.2 m，均厚3.0 m，回采巷道均沿煤層布置，正巷從開口到420 m 煤層厚度穩定為3.0 m，420 m至670 m 煤層厚度從3.0 m 逐漸變薄為2.7 m，之后到切巷煤層厚度逐漸變厚穩定為3.0 m。

2 巷道頂板受力分析

2.1 數值模型的建立

通過構建數值模型的方式來研究頂板各部位錨索的實際受力規律。40 m×1 m×25 m 為數值模型的具體尺寸。利用設置interface 單元的方式來對巷道頂板2.5 m 范圍的層理進行模擬，與現場頂板條件相結合，設置0.2 m、0.3 m 和0.4 m 為分層厚度。在巷道頂板布設6 根錨索，呈一排布設，1 m 為其間距，錨索長和錨固長度分別為7.5 m 和1.5 m。因為錨索在巷道頂板上是對稱布置的，位置對稱的錨索受力情況基本一致，所以只分析距離巷道一邊較近的3 根錨索的受力情況。3 根錨索從巷道肩角開始分別編為1 號、2 號和3 號。

2.2 頂板錨索實際受力特點

在數值分析模型的建立過程中，設置的工況為有錨索預緊力和無支護情況，其中錨索預緊力有50 kN、100 kN、150 kN 三種情況，以此研究錨索受力和巷道頂板變形的變化特點。

對于巷道頂板的變形情況，根據數值模型得出在不同預緊力和無支護條件下頂板的豎向下沉變形情況，見圖1。從圖1 能夠看出，整體上頂板變形主要為撓曲下沉，頂板豎向位移和中部的距離越短，下沉值隨之增大，距離兩幫越近，下沉值則越低。頂板無支護時表現出比較明顯的撓曲變形和離層現象，625 mm 為下沉量最大值；在設置了帶有預緊力的錨索后，能夠看出頂板下沉量明顯減小，離層現象消失；當提高錨索預緊力時，頂板變形值不斷降低，圍巖的控制效果不斷提高。

圖1 巷道頂板在各錨索預緊力下的豎向變形

2.3 錨索的軸向拉力

根據模擬結果得到三種預緊力下錨索的軸向受力情況，見圖2。從圖2 中能夠看出，在自由段時錨索的軸向拉力基本一致，在錨固段時軸向拉力隨著錨固長度的提高而降低。當預緊力一致時，錨索在頂板所處的位置不同，其軸向受力情況也有所不同，與頂板中部距離越短，所受拉力就越大。提高錨索預緊力后，各部位錨索的軸向拉力之間的差值慢慢縮小，特別是對和肩角距離較近的兩根錨索有更加明顯的影響，受力逐漸均勻。與巷道頂板變形特點相結合能夠得到，錨索因位置不同而出現軸向拉力的差異，主要是由頂板撓曲變形程度不同造成的。距離中部越近，頂板的下沉值就越高，其軸向拉力也就越大；距離兩幫越近，下沉值就越低，錨索受到的軸向拉力也就越小。提高錨索預緊力后，有效控制住了頂板的下沉趨勢，減小了不同部位下沉量的差值。

圖2 頂板錨索軸向受力特點

2.4 錨索的橫向剪力

如圖3 所示為各部位錨索的橫向受力情況。從圖3 中能夠看出，錨索的剪切力在0～2.5 m 范圍內有較大的波動，受力明顯，大部分剪力峰值處于0.5～2.0 m 深度范圍內；超過2.5 m 時，橫向剪力基本不再會對錨索產生大的影響。當預緊力相同時，頂板錨索的剪力隨其和巷道幫部距離的減小而增大，隨著和中部距離的減小而降低，其剪力分布特點恰好和軸力相反。錨索預緊力提高后，各位置錨索剪力間的峰值差距慢慢縮小，預緊力對巷道肩角部位的兩根錨索影響較大，受力逐漸均勻。與巷道變形特點相綜合分析，能夠得出頂板在下沉時同時出現橫向的層間剪切錯動與豎直方向上的撓曲變形，距離巷道幫部越近，層間錯動就越明顯，錨索受到的剪力就越大；盡管撓曲變形較大值出現在中間區域，但此區域并沒有明顯的層間剪切錯動。錨索預緊力提高后，總體來看頂板位移值縮小，距離巷道頂板越近剪切錯動越小。由此能夠得出，在下位頂板巖層中錨索的受力情況比較復雜，錨索會同時受到橫向層間剪切錯動和軸向拉伸的作用，說明橫向剪切荷載和軸向拉伸荷載同時作用于錨索上，這也是頂板錨索大多在頂板2.0 m 范圍內出現破壞的主要原因。頂板錨索距離中幫部越近，剪切荷載就越明顯，距離中部越近，拉伸荷載的值就越大；增大錨索的預緊力能夠對頂板變形起到很好的抑制作用，提高頂板的穩定性，削弱錨索所受的負面力，避免錨索出現破損和斷裂，以此達到提升支護體系整體穩定性的目的。

圖3 頂板錨索橫向剪力受力特點

2.5 不同長度錨索的支護效果

為了獲取錨索的應力分布情況，揭示各長度錨索對圍巖的支護效果，在各錨索自由段中間位置布設了一條測線來對各部位壓應力進行提取。如圖4為提取所得的錨索應力分布，其中測線平行于頂板。從圖4 能夠得出，錨索伸入圍巖中的錨固段形成了拉應力，為了保證錨索的支護能力，一定要把錨索錨固進強度較高的堅硬巖層中。當增大錨索長度時，頂板上形成的有效壓力區的寬度和高度也都得到了提高，這表示圍巖受錨索加固的范圍逐漸增大。錨索長度在4 m 以下時，提高錨索的長度能夠削弱錨索自由段中間位置圍巖壓應力的疊加幅度，表示錨索對圍巖的支護強度隨著錨索長度的增大而減??；當錨索長度為3 m 時，單根錨索就能夠形成非常大的壓應力，不過因為錨索長度較短，在群體支護時橫向范圍內壓應力并沒有很明顯的疊加效果，壓力的分布呈現為波浪形。由上述分析可以得到，當預緊力一定時，圍巖的主動支護區域會隨著錨索長度的增大而增大，但卻在一定程度上削弱了中間部位圍巖的主動支護能力，此時短錨索的支護能力要優于長錨索。但是，錨索較短會對群體支護的效果造成一定負面影響，因此在巷道頂板錨索設計過程中要注意錨索長度不能太長，也不宜過短。

圖4 自由段中部各長度錨索的壓力分布情況

3 結論

本研究以店坪煤礦二采區9#煤為研究背景，通過數值模擬的方式分析巷道頂板的變形特點，研究各長度錨索的受力情況和支護效果，得出以下結論：

1）煤層巷道整體上頂板變形主要為撓曲下沉，頂板豎向位移和中部的距離越短，下沉值隨之增大，距離兩幫越近，下沉值則越低。頂板無支護時表現出比較明顯的撓曲變形和離層現象；預緊力錨索能夠明顯減小頂板的下沉量，消除離層現象；當提高錨索預緊力時，頂板變形值不斷降低，圍巖的控制效果不斷提高。

2）在自由段時錨索的軸向拉力基本一致，在錨固段時軸向拉力隨著錨固長度的提高而降低；增大錨索預緊力后，錨索之間軸向拉力的差值慢慢減小，受力逐漸均勻；距離中部越近，頂板的下沉值就越高，其軸向拉力也就越大；距離兩幫越近，下沉值就越低，錨索受到的軸向拉力也就越小。

3）在下位頂板巖層中錨索的受力情況比較復雜，錨索會同時受到橫向層間剪切錯動和軸向拉伸的作用，說明橫向剪切荷載和軸向拉伸荷載同時作用于錨索上；當增大錨索長度時，頂板上形成的有效壓力區的寬度和高度也都得到了提高，但短錨索對中間部位圍巖的支護能力要高于長錨索。