深部煤矿巷道锚杆锚索联合支护的实验研究

柴银亮

（西山煤电集团有限责任公司西曲矿， 山西 太原 030000）

引言

随着开采深度的不断增加，大量采煤问题跃然而出。深度加大，围岩的自重同样增大，而岩石的力学性质将会有一定的减弱，围岩破碎造成巷道严重变形，这无疑会加大巷道的维护成本。为了解决深部巷道变形严重的问题，众多国内学者对此进行了研究。李金奎[1]为了解决巷道顶板出现冒顶及离层问题，提出了使用全锚索一次性支护的方案对顶板进行支护，通过后期验证发现，全锚索一次性支护对顶板的支护效果明显，为深部巷道顶板支护做出一定的参考。安将文[2]通过分析深部巷道围岩的变形情况，给出了深部巷道的支护方案，并通过现场监测得到了支护前后围岩的变形情况，发现支护后围岩的稳定性得到了极大的改善。贾稳宏[3]针对深部巷道变形严重的问题，提出了预应力中空注浆锚杆+柔性TECCO 网+ 注浆耦合支护技术对顶板进行支护，支护后有效地控制了巷道变形，降低了巷道维护成本。黄耀光[4]讨论了深部巷道处于围岩塑性破坏区注浆加固技术。通过COMSOL 数值模拟软件研究注浆程度对支护的影响，研究发现注浆可以改善围岩破碎区形态及位置，为巷道的支护提供参考。本文通过理论计算与数值模拟相结合的方法对深部巷道围岩的支护作出了一定的研究，为深部煤层开采巷道支护提供一定的借鉴。

1 锚杆锚索作用机理

深部巷道锚杆支护常用构件有托板、钢带、锚固剂、锚杆等，锚杆通过预紧力将各部件进行连接，以此来达到控制围岩变形、加强围岩及顶板的承载能力。锚杆是锚杆支护中最为核心的部分，从其受力角度可以得出杆件主要发挥抗剪及抗拉作用。杆件既能提升岩体的稳定性，也能防止岩层间的错动。锚杆杆件作用示意图如图1 所示。

图1 杆件作用示意图

围岩的稳定性一般包括了围岩结构、强度及应力，为了提升深井围岩的强度，适当地对煤岩进行锚固是十分必要的。围岩强度可以表示为：

式中：σ1与σ3分别为岩石强度和围岩强度，MPa；φ为内摩擦角，（°）；C岩石黏结力，MPa。

预应力即为锚杆对围岩的预紧力，通过锚杆构件之间的耦合将预紧力作用于围岩中，以此来达到提升围岩稳定性的目的。锚杆给予岩层间抗拉及抗剪切力分别可以表示为：

式中：p0为锚杆的预紧力，MN；d为锚杆的直径，mm；τ 为锚杆的抗剪强度，MPa；n为每排锚杆数；aτ为锚杆的排距，m；f为岩层的摩擦系数；B为深部巷道的宽度，m。

锚索支护是靠着弯曲柔性钢绞线进行支护，这种支护方式一般具有锚固深度大且预紧力较大等优点。一般来说锚索支护的支护强度要高于普通锚杆支护的强度。锚索在支护顶板时起到悬吊的作用，通过锚索将顶板进行连接增加其整体的稳定性。

锚杆锚索联合支护可以最大限度进行支护，在我国许多矿山多采用锚杆锚索联合支护的方法，这样可以将锚杆和锚索的作用力有效地结合形成承载拱，其支护原理图如图2 所示。

图2 锚杆锚索联合支护示意图

2 支护数值模拟

为了验证锚杆锚索联合支护的效果，本文利用数值模拟软件对未经过支护巷道的变形量与经过锚杆锚索支护后的巷道变形量进行分析，首先对模型进行建模。

根据实际地质资料建立长度和高度分别为200 m和8 m，沿巷道掘进方向75 m 的三维模型，对模型进行网格划分，在网格划分时，充分考虑网格划分的必要性，避免浪费时间，所有在不影响模拟精度的前提下进行网格划分，模型共包括了630597 节点和56.8 万个单元。完成网格划分后，按照地质条件对模型进行物理参数设定，设定完成后，对模型进行约束及载荷的设置，在模型的上边界设定17 MPa 的压应力，侧压系数为1.05。限制模型水平方向的移动。分别设定方案一未经过支护，方案二采用锚杆锚索联合支护，其中方案二中支护参数分别设定为：锚杆间排距为0.8 m×0.8 m；顶锚索的间排距为1.5 m×1.6 m；帮锚索间排距为0.9 m×0.8 m；锚杆长度为3 m，直径为20 mm，预应力为100 kN；帮锚索的长度为4 m，直径为19.8 mm，预紧力为180 kN；顶锚索的长度为6.2 m，直径为21.8 mm，预紧力为220 kN。

图3 围岩垂直应力（Pa）分布云图

图4 围岩垂直位移（m）分布云图

图3 为掘进过程中巷道围岩垂直应力分布图，从图中可以看出，未经支护尾牙和联合支护围岩均出现应力集中的现象，同时由于巷道的布置为非对称分布，所以应力云图也呈现出非对称分布的趋势。巷道最大垂直应力出现偏向巷道右帮的位置。在巷道的四角位置出现应力集中现象，可以看出巷道的四角为巷道支护的薄弱点，所以应当加以重视。经过锚杆锚索联合支护后，相较于未经支护的顶底板及其两帮的应力均有所改善，垂直应力峰值都有所降低。此外随着两帮的支护强度及支护的深度增加，应力出现的峰值位置会逐步向巷道的两侧进行移动，所以支护能够改善围岩的应力环境。经过锚杆锚索联合支护后，应力峰值较未经过支护的峰值降低了14.3%，同时应力峰值出现的位置较未经支护峰值出现的位置偏移了1.17 m。可以看出采用锚索锚杆联合支护对深部巷道的围岩支护效果极佳。

图4 为巷道掘进过程中围岩垂直位移分布云图，图4-1 中可以看出，巷道未经支护时，顶板及点的最大位移量都偏向深部巷道的右帮方向。采用锚杆锚索联合支护后底板顶板的位移量明显减小，但减小的幅度较低，这是由于支护对回填底板的控制效果较低。根据对其单点的变形量进行研究发现，未经支护的巷道左帮最大位移量出现在左帮腰线的上端部，最大的位移量为108.44 mm，同样的右帮的最大位移量出现在右帮腰线上端部, 最大位移量为119.43 mm。对巷道进行锚杆锚索支护后左帮最大位移量出现在左帮腰线的上端部距离腰部，最大的位移量为45.12 mm，同样的右帮的最大位移量出现在右帮腰线上端部，最大位移量为44.98 mm。对比发现未经过支护的巷道两帮最大的位移量为227.84 mm，经过联合支护后两帮的总位移量为90.1 mm，降低了60%。所以锚杆锚索联合支护可以有效地改善围岩的应力环境，并提升矿山的安全性[5]。

3 结论

1）通过对锚杆锚索作用机理进行研究，给出了锚杆及锚索对深部巷道围岩的作用机理，并给出了预紧力的计算方法。

2）利用FLAC-3D 数值模拟软件对未支护及锚杆锚索联合支护的巷道围岩垂直应力进行分析，得出经过锚杆锚索联合支护后应力峰值较未经过支护的峰值降低了14.3%，同时应力峰值出现的位置较未经支护峰值出现的位置偏移了1.17 m。

3）通过对巷道围岩位移量进行分析，发现未经过支护的巷道两帮最大的位移量为227.84 mm，经过联合支护后两帮的总位移量为90.1 mm。