煤层巷道围岩预应力锚杆支护技术研究

孙有明 郑雷 王雪芹

摘 要： 本文介绍了锚杆支护技术在煤层巷道的应用和影响，同时指出了某些煤层顶板事故发生的原因有多种，锚杆强度较弱只是其中之一，锚杆密度不能从根本上解决问题，而锚杆的预拉力在其中有不可忽视的作用，进而比较系统、详细地介绍了煤层巷道围岩预应力结构理论和支护设计方法。

关键词： 煤巷 锚杆支护 技术研究

20世纪80年代以来，煤层巷道树脂锚杆支护技术不断成熟，目前已经被世界上一些先进的采煤国家当做是煤矿支护的核心模式。中国也于20世纪80年代末开始大力开展煤巷锚杆应用技术研究和推广应用，并在20世纪90年代末基本与国际先进水平接轨。结合国内外的具体应用现状，目前在支护系统自身存在的一些问题中，比如强度的不足、锚杆的锚固技术不足等，可以借助于高强螺纹钢树脂锚杆技术对其进行弥补，较深入地分析煤巷高强锚杆的作用机理，已经形成一套较为完善的研究体系。

在近些年的发展中，巷道冒顶事故频频发生，而且出现了离层变形的情况，锚杆强度并不是造成冒顶的唯一因素，同样不是单纯地增加锚杆密度便可以实现，我们不能忽视锚杆预拉力在冒顶事件中的作用，并且它的作用要高于锚杆的强度与密度。早在1997年和1998年，郭颂便展开了对巷道稳定性的研究，他指出，水平地应力对其产生一定影响，而且在巷道顶道顶板离层垮冒事故中及底板鼓起现象中，水平地应力是最核心的因素。同时，郭颂的研究表明，可以借助于巷道顶板锚杆预拉力的提升，进而实现对巷道稳定性的提升。

目前业界亟待深入研究锚杆支护技术，对其未来的发展趋势进行预测，对当前已有的技术进行全面应用，并深入研究预拉力锚杆支护技术。当前美国高预拉力锚杆支护技术已取得了显著成效，各项新技术取得了不少成功。这些成功证明：高预拉力锚杆技术可以实现对层状顶板的离层良好的把控，直接带来的结果就是冒顶情况锐减；在同等条件之下，对锚杆的密度进行降低，从而提升了间排距，并且大大减少了锚杆的使用数量；对掘进的速度有效提升，同时良好地提升了支护效率。

1.煤巷层状顶板的预应力结构理论

1.1概念

如果在巷道已经开挖之后，围岩出现了小幅度的变形，那么，较脆的岩体便会随之发生一定的改变，常见的有离层、松动、开裂等，从而降低围岩强度。虽然在煤层巷道开挖过程中会及时地安装上锚杆，然而，如果采用的是一般的锚杆，在不加预拉力的情况下，它仍然是一个被动支护的性质。这种锚杆一般情況下都具有一定的“钢”性，而且用的时候都是尽可能多用。如果一旦顶板出现离层现象，那么，这种锚杆所具有的抗力无法对顶板总体的抗剪能力带来丝毫帮助。它无法对锚杆长度不能覆盖的范围内的离层现象有效控制，仍然会出现垮冒现象。

据相关资料显示，在我国，高强锚杆通常都保持有0.6～0.8m的排距，整体离层现象时有发生，严重的甚至会出现垮冒现象，但是在这种情形之下，锚杆的实际受力不大，整体安全性不高。

由此我们提出了煤巷支护预应力结构的概念为：在实际施工时，可以迅速地给各种支护构件足够的张拉力，并快速地进行传递，一直将其传至顶板，令顶板岩石可以保持横向压缩的状态，以便保护顶板围岩体受到的损害，避免弱面离层问题的出现，从而实现对围岩稳定的保护。目前将之称作是顶板预应力机构。

1.2层状顶板预应力结构理论

1.2.1预拉力（或称预紧力）的大小

预拉力的大小对整个锚杆顶板来说，要想稳定锚杆顶板，预拉力起着至关重要的作用。

出现高水平应力情况时，顶板表面势必会遭受到损坏，而如果预拉力一直增大，能够使整个顶板岩层保持一个横向压缩的情况，这样一来，便可以有效提升抗剪能力，从而阻止它的破坏力继续蔓延。

锚杆参数及预拉力之间要实现一个科学而合理的配置，从而更好地确保锚杆长度覆盖内与覆盖外的顶板岩层不会遭遇离层的损伤。如果预拉力十分强大，顶板岩层的各个层位便会出现负应变以及正应变，此时，无法造成顶板的下沉问题。也就是说，预应力结构能够保证只是在纵向方面有小幅度的变形，而在横向方面不存在变形。

1.2.2水平应力

在既定环境中，水平应力对整个巷道顶板的稳定有一定作用。

如果最大水平应力与巷道轴向处于一种垂直的状态，那么，此时的巷道不见得就难以维护，可以借助于加大预拉力保护顶板一定的稳定性；而如果最大水平应力与巷道轴处于的状态是平行状态，那么，此时巷道并一定就可以实现更好的维护，主要取决于其自身的强度与地应力之间的比例，同时与预拉力的强度有关。

1.2.3顶板的稳定性与巷道宽度和垂直压力的关系

在既定的范围之内，顶板的稳定性并不与巷道宽度及所受的垂直压力直接相关。普遍认为，巷道越宽，则其相应的顶板稳定性便显得越差。但是，这种理论仅仅在被动支护中存在，在这种情况下，拉应力与其破坏程度成正比。

对于顶板的稳定性产生影响的还有其他因素，比如采深因素、长壁工作面超前垂直支撑压力等，这些因素相应而言，也会对其稳定性产生一定的影响，但是影响微小。如果预拉力过大，此时，整个顶板的垂直压力便会不再那么集中，相对而言，两帮维护也更容易操作。在被动锚杆支护原则中，一向是坚持“先护帮，后控顶”，而在主动锚杆支护的原则中，则是坚持“帮顶同治”，此时帮部稳定能够实现与顶部的对比分析。

在施工机具及施工的工艺等方面，目前的研究方向应该集中在高预拉力的实现方面。在相同的地段里，同等的条件下，要尽可能地提升锚杆的预拉力，从而更好地保证稳定性，并且有效地节省成本，进而提升掘进的整体速度。

2.煤巷预应力支护设计方法

2.1设计方法

为了保证巷道锚杆支护这种技术是经济的、合理可靠的，我们就要将重点放在该技术的设计层面。就目前已经出现的设计方法，大致可以划分为三种：一是利用工程类比的手段，这里还包含了应用一些简单的计算公式（如常见的在回采巷道围岩稳定基础上设计出来的方法）；二是理论计算方法，这种典型的计算法有组合拱理论及悬吊理论等；三是采用数值模拟的方式设计所需要的巷道支护杆，计算机的使用已经进入普遍化阶段，这就促进人们利用计算机来模拟巷道支护的设计，比如模拟计算地下岩石工程结构相对应的应力等。

2.2快速、通用、巨型矿山巷道系统三维有限元模型系统的建立

一直以来，有限元数值计算技术都是人们解决在采矿过程中出现的力学问题的主要方法，但是这种方法有一定的局限性（比如仅限于二维模型或者小范围的问题），几乎没有考虑到水平应力的方向性问题。除此之外，原有的数值计算技术设定出的模型往往是针对特定问题，这就使得一旦问题发生变化，已有的模型将不再适用。同时传统的有限元数值计算技术在其整个分析过程（从模型的建立、运行、检测再到最后的结果分析）中需要耗费大量资金和人力。

随着时间的推移，人们重新审视了水平应力方面的问题，开始慢慢质疑在传统有限元计算技术分析下得到的结果的合理性，这也使得传统的方法开始受到挑战。相比传统的思维来说，新的思维要求扩大研究的范围，这也就需要不断地改进有限元方法。

目前市场上有各种有限元软件，其中包括NASTRAN、ABAQUS、ANSYS、ALGOR、ADINA等。在选择有限元软件时，要考虑到各种因素的制约，比如程序本身的功能、前处理和后处理的能力、计算机的容量和速度、用户的工作需要等。

一般来说，现场施工时具备三个特点：地质不稳定、巷道掘进比较快速与必须有支护服务，所以依据这三个特点，通常用ANSYS这款软件。这款软件拥有独立的语言系统（APDL），使用者可以独立的操作编程。这款语言系统拥有普通计算机的语言功能，包括条件、循环和赋值语句等，操作者可以通过变量建立模型。这款语言系统（APDL）结合ANSYS给出的大量宏指令，将采矿过程中的自动化分析和研究提上日程。

参照现在比较典型的设计方法，我们可以利用工具预先设立二维和三维的通用化空间立体模型。通用化的定义：当需要设计时，我们可以在输入提示窗口输入一些数值，确定模型的相关变量，包括采矿深度、岩石的力学性质等，最终就会得到我们想要的一些模型。通用化的出现给限元建模创造了无限可能，使得建模过程方便快捷。

2.3設计步骤

锚杆类型多种多样，每种类型都有自己的适用条件（应力状况、顶板岩性、技术条件、成本因素等）。除了一般锚杆类型外，还有用于二次支护的主动和被动型的锚索（以钢绞线为材质），主动和被动型的顶板系统（分别以钢材和钢绞线为材质的载荷连续传递的系统、两根普通斜锚杆和水平拉杆结合的并且荷载互相独立的系统）。

研究表明，提高顶板稳定性最经济有效的手段就是改变锚杆的预应力。这也就使得预应力的设计成为顶板稳定性设计的重要部分，以下是具体的设计步骤：

（1）通过三维有限元模型来明确巷道的应力情况。

针对这种模型，我们有以下几个重要的设计参数：夹角（度）、深度、最大最小水平应力（σ■、σ■）、关于图面的一些几何尺寸（如煤柱、采空区等）。

（2）大模型完成之后，可以针对特定的部分区域进行专门分析，分割出来的模型就称为子模型。

大模型完成之后会自动输出子模型的边界条件，并且将之附加在子模型上。只要选择合适的子模型边界，我们就可以在子模型中分析锚杆的单元问题，能够这样做的原因就是锚杆所影响到的应力范围是有限的，这也避免我们从大模型中做非线性分析。

主要的子模型参数有：锚杆预拉力、锚杆直径、锚杆长度、岩石层理面的力学性质、锚杆的间距。

以上的锚杆间距并不会作为我们考虑的主要参数，原因就在于它对梁顶板的刚性不会有太大的决定作用，通常采用1.2m×1.2m的布置，这是美国50多年锚杆支护的经验。因此，模型输入时的锚杆间距初选值也用1.2m。但排间距可能要根据计算后得出的所需预拉力进行调整，比如所需预拉力为10t，技术上可达到的最大预拉力为5t，那么锚杆排间距要缩小到0.6m。“刚性”梁顶板，是保证大锚杆间距的基础。

2.4评判标准

水平地应力会给层状的岩体一定的作用力，导致顶部和底部的岩层比较容易被损坏，结果就是岩层发生分离，可是一旦顶部的岩层分离后，其受压能力就会突然下降，支护效果受到影响的同时，会影响到一系列的安全问题，所以巷道稳定性的检验标准就是顶板的分离状态。通常我们将离层这一因素作为主要的考虑对象，所以能够将它们结合，考虑锚杆支护参数时，常常将锚杆预拉力考虑进来，立足于顶板离层研究和计算，最终得到的方案中，巷道冒顶事故的概率极小。特别指出，在岩性有差别和支护条件有差异，所以将围岩形变量定为判定标准不实际的，完全问题得不到保障。

工程上支护是不是符合标准的判断依据是顶板预应力的形成，厚度与承载力决定了巷道是否合格，如何设计支护结构和预拉力的数值，决定了预应力结构的厚度与承载力，以上标准都必须结合实际考虑。

参考文献：

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