不同锚杆支护方式下强顶弱帮巷道稳定性分析

闵 军

(山西焦煤霍州煤电集团店坪煤矿, 山西 霍州 031000)

1 前言

巷道围岩的稳定性形态可分成两种类型：一种是围岩破碎区形成之前所达到的稳定形态即弹塑性稳定形态，另一种是围岩破碎区形成后才达到的稳定形态即松动性稳定形态[1]。当巷道围岩力学环境有利时，围岩在整个服务期内都可能维持在弹塑性稳定形态；反之，围岩将处在松动性稳定形态，伴随巷道变形量的增大还会表现出阶段性特点，即出现弹塑性和松动性稳定形态[2]。在进行巷道围岩支护时应依据不同的围岩类型与力学环境条件选择不同的围岩控制理论，令围岩处于不同的稳定性形态[3-4]。鉴于此，本文用数值模拟研究在方山店坪煤矿地质条件下不同锚杆支护方式下围岩的力学效应，辨析不同锚固结构的力学性能差别，探索不同锚固结构支护下巷道围岩所历经的变形- 破坏- 失稳全过程的变化，为有效控制围岩，保证其稳定性提供可靠依据。

2 工程概况

方山店坪煤矿5#煤层埋藏深度约为285～400m，倾角为1°～7°，属于缓倾斜煤层。煤层结构较简单，含有两至三层夹矸，夹矸多是砂质泥岩，厚度为0.20～0.35m。煤层层理发育，各分层煤体力学参数差异较大，节理有一定发育。煤层顶、底板以层状泥岩、砂岩为主。表1是煤层及顶底板物理力学参数。巷道布置在5#煤层，断面5.0m×3.1m，沿底板掘进。煤层及顶底板物理力学参数见表1。

表1 煤层及顶底板物理力学参数

3 锚杆支护方式选择

不同锚固方式适用于不同情形，应根据巷道围岩类型进行合理选择[5]。通过现场观察发现，店坪煤矿5#煤层巷道的失稳过程是顶板首先表现出显著的弯曲变形，继而出现大量下沉，顶板上方1.9m内处于不稳定状态，岩层界面出现离层现象；之后巷帮出现片帮或垮帮，两帮顶角因顶板岩层的不断弯曲下沉而被压碎，导致发生更严重的片帮或垮帮，两帮破坏深度达到1.6m，弱化的两帮不能对顶板起到有效支撑，使巷道有效宽度增加、顶板继续加剧下沉；最终形成“顶板弯曲下沉→两帮受压碎裂→片帮或垮帮→两帮对顶板支撑削弱→顶板弯曲下沉加剧→两帮破裂加剧”的恶性循环。而且随时间延长，顶板中还往往形成拱形破裂区，使围岩内的荷载体范围变大。

由上述围岩变形破坏特征可知，巷道顶板岩层表现出叠合梁及冒落拱的结构特性，而两帮表现出裂隙体结构属性，巷道围岩特征表现为两帮岩性较软弱、顶底板岩性较硬，且两帮与顶、底间层理发育，故围岩属于强顶弱帮型。所以，针对这类围岩条件和顶板具备层状连续岩体的特性，其锚杆支护宜选用组合梁理论与悬吊理论相融合的方式；而两帮因具有裂隙体的岩性特点，其锚杆支护宜选用挤压加固和整体锚固相融合的方式。

4 不同锚杆支护方式的对比分析

下面通过FLAC3D数值模拟，分析不同锚杆支护方式下巷道围岩的稳定性，以选择合适的锚固方式。FLAC3D模拟参数来自工程中的数据。

4.1 支护方案

根据悬吊理论，顶板冒落拱高度1.9m，加之深入到稳定岩层的锚固长度以及外露长度，确定锚杆长度不宜小于2.3m。锚杆最大间距根据实际经验和影响范围，取1.0～1.2m。根据组合梁理论，顶板必须施加预应力锚杆，锚杆预应力确定原则为锚固区范围内顶板不离层，岩层界面无拉应力[6]，根据参考文献[7]的方法，确定顶锚杆预应力6t。对于巷帮，依据片帮深度1.6m，结合经验确定帮锚杆长度不宜小于1.7m。依据挤压加固理论，锚杆具有的挤压加固力应使所形成的挤压加固墙能承担所对应的拱形载荷体的重量[8]，依此确定帮锚杆间距0.8m。根据整体锚固的思想，宜通过合理确定角锚杆角度实现顶、帮、底的整体联结。

综上提出三个支护方案，其中方案1为普通锚固方式，方案2和方案3为整体锚固方式。方案1：顶部4根锚杆，间距1.1m，长度2.4m，预应力6t；帮3根锚杆，长度1.7m，间距0.8m。方案2：顶部4根锚杆，间距1.1m，长度2.9m，预应力6t；帮4根锚杆，长度为1.8m，巷帮上下角锚杆分别锚固至顶底板，与水平方向成30°，间距0.8m。方案3：顶部5根锚杆，间距1m，中间一根3.4m，其余4根为2.4m，顶角处锚杆与垂直方向成30°，预应力6t；帮杆布置方式同方案2。

4.2 模拟结果及分析

数值模拟结果，如图1至图6所示。

图1和图2所示为方案1支护方式下巷道围岩应力分布规律。从图中可见，锚杆支护提升了锚固岩层应力，顶板呈现组合梁特征。锚杆锚固至围岩内相对高应力区间，表明锚杆达到抑制其锚固范围内岩体发生松动的效果，强化浅部围岩的抗载性能。巷帮下部水平应力较上部偏小，说明帮下部应力释放，有煤帮破坏的危险。

图1 方案1水平应力

图2 方案1垂直应力

图3 方案2水平应力

图4 方案2垂直应力

图5 方案3水平应力

图6 方案3垂直应力

图3与图4所示为方案2支护方式下巷道应力分布规律。由图中可知，巷道围岩浅部应力较方案1的浅部应力有了明显改善，组合梁抗弯性能增强，锚固端区域围岩应力提高，帮下部水平应力增加。图5和图6所示为方案3支护方式下巷道围岩应力分布规律。从图中看出，顶板组合梁抗弯性能进一步提高，巷帮承载能力同方案2。

综上分析得出：(1)顶板锚杆施加预应力，有效长度≥2.3m，最小预应力≥6t；帮锚杆长度≥1.8m。(2)三种支护方案都提高了浅部围岩的抗载能力，令其可以发挥组合梁基础功能。巷道角部均有较高的应力集中，易出现失稳危险。(3)方案1巷道角部应力集中程度高，中间两支顶板锚杆可能锚固在潜在的顶板冒落拱中，巷道角部弱化易发生片帮及垮帮现象，从而减弱两帮支撑顶板的能力。(4)方案2与方案3中锚杆锚固端都深入至围岩高应力区，将顶板潜在的拱形施载体悬吊在深部稳定岩层上，使其能够充分发挥组合梁、悬吊等基本性能。两种支护方式均布置了角锚杆，实现了顶、帮、角三者锚固体的有机联合，减小了两帮位移，强化了对深部岩体的制约作用。(5)巷道支护宜采用方案2或方案3的支护方式。

4.3 结果探讨

以上模拟结果说明对于强顶弱帮巷道，顶板支护基本能达到工程要求，故巷帮的稳定性应为关注的重点，否则可能出现以下类型的破坏：一是两帮层间由于滑动力比摩擦阻力大而沿顶、底板发生错动；二是两帮因垂直应力达到极值而出现压缩破坏；三是顶、底板因两帮支撑减弱而发生弯曲乃至破断。其中，第一种属小变形一般不会对巷道产生不利影响，但后两种属于松动变形破坏，有诱发围岩产生连锁式破坏、失稳的危险。

因此，在支护设计时应考虑巷帮有效控制的相关措施。措施之一是通过角锚杆参数的调整将顶、底、帮、角有机联接成整体以提升帮结构的稳定性，该项措施的优越性已在模拟中体现。另一项措施便是提高帮锚支护力，可采取的方法有增加锚杆直径、采用高强度锚杆、优化锚杆间距、适配托板等附件以及对帮锚施加预应力等。其中，因预应力锚杆可增加加固墙的强度，使锚固力提升，故应为优选方案。当然，有关预应力的定量确定还有待日后进一步研究。

5 结语

针对店坪煤矿强顶弱帮巷道顶板弯曲变形，两帮挤压片帮的变形、破坏特征，指出巷道顶板和两帮应分别采取弹塑性稳定状态和松动性稳定状态的支护原则。基于此，通过模拟对比，提出巷道支护宜采用整体锚固的支护方式，即通过角锚杆的合理布置，将其形成的应力压缩区与相邻顶、帮锚杆形成的应力压缩区有效重叠，使顶、帮锚固体形成整体锚固结构，以克服一般锚固结构存在角部薄弱环节的不足，一定程度上可阻止两帮沿顶、底发生错动而向巷道挤入，从而减小巷道变形，更大限度地改善锚固区围岩的受力状态，从而提高锚固结构的径向刚度，增强锚固结构对深部围岩的径向约束，使巷道围岩的稳定性得到改善。