浅析锚杆锚索联合支护数值模拟及现场应用

史继武 梁俊岭 鞠路超

（山西朔州华美奥兴陶煤业有限公司山西 朔州 036002）

山西朔州华美奥兴陶煤矿煤层较浅，但因下部煤层的巷道布置在上部煤层的煤柱下方，巷道掘进时压力显现较为明显，巷道已经发生变形、开裂、片帮等破坏现象,原因是巷道沿煤层底板掘进，巷道顶板及两帮为煤体，煤质较脆易开裂以及受到强大的地应力影响。这种现象极易造成安全事故的发生及延缓施工进度。尽管已经增加支护强度和密度，但稳定性还是较难继续维持。

1 分析锚杆锚索联合支护机理理论

围岩发生移动变形时，可以采用锚杆(索)产生的锚固力结合锚固剂附着在围岩上，从而阻止继续变形。不同的锚固方式影响荷载在锚杆中的传递。因此，分析锚固力和锚杆支护问题要基于围岩和围岩变形进行分析，研究围岩变形的问题也需要结合锚固力进行。研究锚杆与围岩相互作用关系就需要符合这一规律：当锚固区围岩出现离层、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏的情况,可使用锚杆作用控制，保持围岩的受压状态,避免围岩发生弯曲变形与拉伸、剪切破坏,使锚固区的完整性得到最大化的保护，使锚固区围岩整体强度得到增强。若想避免锚固区外岩层发生离层,可以在锚固区形成刚度大的次生承载结构的同时，改变围岩深部的应力分布状况。

2 数值模拟锚杆、锚索联合支护效果

2.1 建立模型

建立模型结合Mohr-Coulomb强度原则,结合岩石物理力学参数进行计算见表1.模型按三维思考,结构取半研究是因为参考了结构的对称性。设计一种和掘进机配套，既能起到临时支护作用又能安装锚杆的机构，在掘进的同时完成巷道的支护，节省时间、提高了劳动效率。巷道的建设方案主要内容有：断面为矩形断面,巷道的高和宽分别以4800m和3200m为标准。巷道开挖时，要考虑到其对边界条件的影响,将模型长、宽、高的标准订为25m、50m、38m。分别在模型的两侧将水平位移、底板的垂直位移进行限制,顶面不做要求。水平应力和垂直应力分别为30MPa和25MPa。锚杆采用的全螺纹等强度锚杆要达到Φ18mm×2200mm的标准,锚索采用的钢绞线要达到Φ17.8mm×4150mm的标准。

2.2 分析计算数值模拟的结果

研究巷道顶板下沉值、两帮相对收敛和底臌的情况，就需要结合锚杆间距和锚索数量的不同组合，将数值模拟分为35组。那么就可以发现巷道在开挖之后,围岩因应力的释放，开始重新分布,致使围岩出现变形甚至破坏,如顶板下沉、两帮内挤和严重的底臌。巷道顶板下沉量、两帮相对收敛值和底板位移量的减小主要是因为锚杆和锚索数量的增加。在锚杆间距分别为600、800、1000和1200mm时,增加锚索数量,巷道变形减小效果差;巷道发生变形的情况比较大主要是因为锚杆间排距较大。因此，得出结论，要想使得锚杆锚索联合作用效果处于最佳的状态，需要把锚杆间距在保持在600～1000mm之间,锚索数量为1.5根（每米巷道）。

2.3 相比较现场实测结果的分析

现场支护形式主要有:

锚杆支护需要采用高强度锚杆,如Φ18mm×2200mm的全螺纹锚杆，保持800mm×800mm的间排距,每条锚杆采用1只CK2350树脂药卷。金属网由10号铅丝编制的菱形网,保持4300mm×2200mm的规格,以及50mm×50mm的网格。同时需要采用W形钢带,排距为800mm,以及Φ17.8mm×4150mm的钢绞线,3块为一孔的CK2350药卷。

2.4 锚杆锚索联合支护作用

（1）锚杆锚索联合支护使锚杆和被锚固岩体相互作用，形成统一的承载结构，和钢棚共同承担围岩压力，起到了加强支护的作用。（2）锚杆锚索联合支护可提高锚固体的力学参数，改善被锚固围岩的力学性能。（3）锚杆锚索联合支护可提高锚固区内岩体的峰值强度和残余强度，提高锚固强度后，能控制围岩塑性区、破碎区的发展，巷道周围塑性区、破碎区的范围和巷道的表面位移有所减小，有助于确保巷道围岩的稳定性。

3 结语

实践证明，不同的锚杆间距和锚索数量的组合方式，锚杆锚索联合支护的效果也有明显不同。在煤矿应用中，合理、经济的组合锚杆间距和锚索数量尤为重要，只有合理选取支护形式和支护参数，才能使锚杆锚索联合支护效果最为显著。

[1]孙晓明,杨军,曹伍富.深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律研究[J].岩石力学与工程学报.2007(05)