深部煤矿巷道锚固体锚杆协同支护试验研究

常 桐

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿， 山西 太原 030053）

引言

随着煤炭开采的不断增加，深部巷道开采煤炭越来越多，因为深部巷道所受的应力较高，巷道及煤层变形也更加明显，因此研究深部巷道的变形以及支护有着重要的意义。陈旭光等以淮南矿区丁集煤矿深部巷道工程为研究对象，通过对现场检测和模型试验研究，分析了分区破裂现象的主要特征和变化规律，指出分区破裂是与洞室呈同心圆的环状拉破坏断裂，为深部巷道围岩变形破坏机理提供了重要的意义[1]；张建华等以大雁二矿为研究背景，通过设计锚索复合支护技术，成功地实现了三软煤层支护[2]；张国华等指出了锚杆组合支护作用下岩层变形协调原则，同时给出了锚固锚杆支护中锚杆长度、间距、排距、预紧力4 个关键支护技术参数的计算公式[3]；何满潮等分析了巷道变形、破坏的原理，利用数值模拟对支护方案进行了计算，优化了支护方案和耦合设计[4]。

本文在已有研究的基础上，对协同作用下锚杆锚固体进行了力学试验，丰富了深部巷道软岩协同效应理论和物理力学参数，可供实际工程参考。

1 锚固体锚杆协同效应的研究

目前所研究的煤矿系统通常为开放的系统，系统中包含有大量的子系统，众多子系统以及构成要素导致系统的复杂性，以往的研究利用具体的函数关系描述各系统的性质，因此巨大的数据库中包含庞大的微分方程组，大量的计算导致计算出错率也偏高。《协同学》一书中，在动力学思想的基础上以绝热消去原理为依据，在复杂系统中找到起主导作用、支配作用的慢变量，直接忽略快变量对系统的影响，随后对快变量进行时间的求导，从而得到快变量和慢变量的数学关系式，从数量上来看，慢变量的阻尼系数一般要远远小于快变量的阻尼系数，计算结果得到只含有慢变量的演化方程，即序参量方程。

将复杂系统中的复杂问题通过经绝热消去后可得到简化后的偏微分方程，庞大的微分方程组简化为方程量极少的序参量方程，这种将复杂方程简化为简单求解的计算方法称为支配原理。支配原理将复杂问题转化为简单问题，提高求解效率的同时将复杂系统简化为清晰简单的系统，提高计算的准确率。

对于煤矿巷道围岩的稳定控制而言，因为巷道与岩层之间不断的进行能量交换，为开放的系统，大系统下又包含围岩系统、锚固系统及周围的环境系统三个互相独立且又关联的子系统，形成明显的协同效应。

本文研究煤矿巷道锚固体锚杆协同支护，以深部巷道软岩为基础，软岩因为巷道在力的传递以及叠加上较硬岩效果好，但是因为软岩的强度小，通过锚杆进行支护的过程中软岩极易发生破碎，因此不足以支撑锚杆预紧力施加给锚固体的剪应力，本文以石英砂为骨料，将水泥和石膏作为胶结料，通过此配比的模型完成锚杆预紧力与锚固体的协同效应研究，本文中锚杆数量分别为2 根和4 根，不同数量的锚杆在不同预紧力锚固体应力分布不同，通过手电钻减少安装过程中锚固体的损伤。

2 根锚杆锚固体钻装加载步骤如下：调试计算机，确保计数系统正常，将应变砖接线接入应变测试系统中；分别给锚杆施加8 N·m、16 N·m、24 N·m 的预紧力，采用恒位移加载进行试压，不同预紧力下间隔1 min 进行数据的采集；单个锚杆完成数据采集后，同时给两个锚杆施加预紧力，采集数据并保存。

4 根锚杆锚固体钻装加载步骤如下：调试计算机，确保计数系统正常，将应变砖接线接入应变测试系统中；分别给锚杆施加8 N·m、16 N·m、24 N·m 的预紧力，采用恒位移加载进行试压，不同预紧力下间隔1 min 进行数据的采集；单个锚杆完成数据采集后，同时给两个锚杆施加预紧力，采集数据并保存；两个锚杆完成数据采集后，同时给三个锚杆施加预紧力，采集数据并保存；三个锚杆完成数据采集后，同时给四个锚杆施加预紧力，采集数据并保存。

试验过程中利用声发射系统对试样的破坏过程进行辅助分析。

2 协同效应下锚固体强度特性的研究

图1 为不同工况下锚固体应力- 应变与声发射振铃计数关系曲线，从图中可以看出，不同工况下试样变形破坏差异明显，未加锚试块试样（见图1-1）在进行单轴压缩的过程中，试样变形为整体性破坏，在轴向压力不断施加的过程中，声发射系统有明显的断裂声，试样表现为一定的脆性，图1-2 为施加2根锚杆单轴压缩数据图，因为钻孔的影响作用，导致试样内部有一定程度的裂纹，在预紧力的作用下，因为钻孔带来的弱面有一定的承载能力，当轴向压力不断增大时，两根锚杆之间的预紧力发生协同效应，因此，试样并未发生整体性破坏，破坏后试样依旧有很大的残余强度，试样的塑性得到增强，在破坏过程中裂纹主要沿着锚固体表面向纵向扩展，且轴向应力越大，贯穿现象愈加明显；图1-3 为施加4 根锚杆单轴压缩数据图，因为钻孔数量的增加，使得锚固体中裂纹扩展明显，虽然有预紧力的存在，但是因为锚杆密度过于集中，导致部分区域强度大，在轴压的持续作用下，出现严重的破坏现象，锚固体的整体强度下降明显。

由此可得，钻孔对于试样的完整性存在破坏作用，合理的锚杆密度可以有效地增强试样抵抗破坏的能力，钻孔密度过高容易导致试样强度下降，起不到支护的作用。

声发射振铃计数可以有效地表征试样单轴压缩中的破坏过程，当试样达到峰值强度时，破裂面产生，因此，声发射活动明显，振铃计数达到最大值；4根锚杆预紧力作用下试样的声发射振铃计数最大，2根锚杆预紧力次之，未加锚试块最小，因为钻孔的原因，导致试样内部存在大量的裂纹，在轴向压力的作用下，原始裂纹以及因为钻孔带来的裂纹先闭合，随后产生新增裂纹，因此，声发射较为活跃，不同的是，2 根锚杆作用下的锚固体在峰值强度后依旧有声发射现象，表明试样有很大的承载能力，因此可得，合理的锚杆密度可以有效的提高试样的承载能力，本实验中，2 根锚杆可以是最佳选择。

图1 不同工况下锚固体应力- 应变与声发射振铃计数关系曲线

图2 锚固体黏聚力与预紧力矩关系曲线

图2 为锚固体黏聚力与预紧力矩关系曲线，从图中可以看出，试样的黏聚力随预紧力矩的增加呈现先增加后减小的趋势，锚杆数量为2 时，黏聚力最大增加13.1%，最小增加1.9%；锚杆数量为4 时，黏聚力最大增加42.4%，最小增加4.3%；施加预紧力矩之后，因为协同效用的存在，相互影响的应力影响区叠加形成具有一定承载能能力的承压拱，因此锚固体的承载能力提高；4 根锚杆预紧力矩作用下的试样黏聚力最大，可以看出，锚杆密度越大，黏聚力越大，但是并不代表试样的强度越大，只能说明试样的强度有所增加，在实际的工程中，应该综合考虑各种因素，实现支护强度的最大化。

3 结论

通过室内试验，对深部巷道锚固体锚杆协同支护进行了单轴压缩试验，通过对不同锚杆预紧力锚杆密度对协同效应进行研究，从抗压强度、声发射特征以及黏聚力等方面分析了锚固体的承载机理与稳定性，得到结论：采用不同预紧力和锚杆密度对锚固体力学性质有不同程度的提升，但过多的锚杆密度会减弱锚固体承载能力及稳定性，锚杆数为2 时的锚固体协同率最大，试样的承载能力最大。