巷道围岩锚杆（索）支护附加应力场影响因子探究

黄 俊

（同煤集团忻州窑矿安监站，山西 大同 037021）

1 引言

锚杆支护是控制巷道围岩形变、岩层离层、顶板垮落的常见方式。锚杆形成的附加应力场与巷道开挖后的次生应力场产生相互作用力，形成井下综合应力场，保持巷道围岩各岩层的稳定[1]。本文结合忻州窑矿7 号煤层的实际参数和支护条件，进行了分组探究性试验，进一步明确预紧力、间排距以及锚索布置方式对锚杆支护附加应力场的影响效果，从而找到最优的支护方案。

2 模型参数设定及建立

同煤集团忻州窑矿采用综采放顶煤工艺，平均厚度为7.23m，地层倾角2°~5°之间，工作面长度200m，生产能力超过1.5M/a。通过地质报告获取了7 号煤层顶底板岩石的具体参数。在FLAC3D数值模拟软件中，采用摩尔库伦模型进行应力场变化计算，忽略地应力、重力加速度影响，以cable单元表示锚杆，以pretension 参数表示预紧力，构建（x，y，z）为（50，30，48）的巷道环境模型，选取中间位置，以group、delete 参数设定5m×4m的巷道。

3 预紧力与锚杆支护附加应力场关系试验

为确定预紧力与锚杆支护附加应力场之间的关系，选取单根锚杆和锚索进行探究性试验。基本要求如下：选定巷道顶部中间位置，插入一个锚杆或锚索，通过改变预紧力数值，得到一系列的锚杆（索）附加应力场效果图。其参数设计方案如表1 所示。

表1 单锚杆（索）下预紧力参数设计方案

3.1 相同预紧力下锚杆（索）的附加应力场特征

经过多组试验比较可知，在不同预紧力情景下，单根锚杆（索）的附加应力场表现出相近特征，故选取40kN 的预紧力参数进行相同预紧力的锚杆（索）附加应力场分析更加有说服力，其附加应力等值面如图1 所示。

图1 40kN 下锚杆（索）附加应力等值面图

在预紧力参数值相等的情况下，锚杆与锚索在托盘位置出现了附加压应力峰值且附加应力向围岩深处逐渐减小。其中，锚杆的附加压应力值集中在托盘附近，锚固段几乎没有产生附加拉应力；锚索的附加应力则快速下降，其锚固段附近出现了附加拉应力，十分明显。在巷道围岩加固中，附加拉应力会产生负作用，故需要避免在锚固段附近存在分离层和岩层分离面[2]。

3.2 不同预紧力下锚杆（索）的附加应力场峰值变化

在10 组试验的基础上，结合锚杆（索）产生的附加应力场形态图，对不同预紧力的锚杆（索）附加应力场峰值进行了记录和整理，并以应力峰值来衡量预紧力对附加应力场的影响作用，从而明确预紧力与附加应力场之间的关系。

通过锚杆（索）附加应力峰值曲线图可以看出，预紧力与锚杆附加应力场之间存在着正相关的线性关系，即随着预紧力的增加，锚杆（索）附加应力峰值增加。这一研究成果为同条件下增加锚杆（索）预紧力提高支护性能提供了可靠的试验依据。

4 间排距与锚杆（索）附加应力场关系试验

为确定间排距与锚杆（索）附加应力场之间的关系，选取60kN 的锚杆、120kN 的锚索进行逐一试验。基本要求如下：在巷道围岩顶底板选择同一预紧力的锚杆或锚索，采用相同的布置结构，只允许间排距参数不同。其具体方案如表2 所示。

表2 锚杆（索）群间排距参数设计方案

通过锚杆（索）的6 组试验，明确了间排距与锚杆（索）附加应力场之间的关系。由于锚杆（索）采用了同样的间排距参数，并且对应参数下其附加应力场效果差异性不大，故选取了更为常见的锚杆附加应力进行规律分析。试验得到的效果图如图2所示。

图2 不同间排距下附加应力场效果等值图

从图2 的附加应力场等值效果看，当锚杆群的间排距为600×600mm 时，围岩顶、两侧以及底板出现了较小的外围压力，巷道围岩形成了均匀连续的附加压应力区，能够保障巷道的稳定不变性。而随着间排距的增加，尤其是1000×1000mm 时，附加压应力的值正在减小，附加压应力区出现薄弱位置，即将出现断裂，且锚固段的附加拉应力区在巷道两侧明显增大，对巷道支护的稳定性影响较大，不利于长期支护。

5 锚索布置方式与锚杆（索）附加应力场的关系

为了确定锚索布置方式与锚杆（索）附加应力场之间的关系，选取800×800mm 的间排距方案，在锚杆（索）群试验的基础上进行锚索布置方式的研究。基本要求：在保障预紧力、间排距条件一致的情况下，探究锚杆群增加不同锚索布置方式后巷道围岩附加应力场的效果。其具体设计方案如表3所示。

表3 锚索布置方式参数设计方案

为了能够突显出锚索布置方式的不同对试验结果的影响，选定了两个对附加应力场作用效果较差的参数。采用同样的数值模拟方式，对巷道围岩的附加应力场进行了数值化处理和分析，得到了对应布置方式的附加应力场等值效果图。通过比较可知，在锚杆群预紧力相同的情况下，巷道围岩的顶底板、巷道两侧的附加拉应力场的数值、范围大大缩小；巷道围岩周围的附加压应力场薄弱点消失，形成了连续、稳定的附加压应力区[3]。这一变化有效地证明了锚索布置能够发挥增强巷道围岩稳定性的作用。同时，在不同锚索布置方案中，“三花”、“五花”都能够较好地为巷道围岩顶板提供强大、连续、均匀的附加压应力，确保巷道综合应力场达到新的平衡，而“二二”布置方式则无法为巷道围岩顶板提供较大的附加压应力，存在着支护风险[4]。总之，锚索布置方式能够增加锚杆（索）支护效果，且“三花”、“五花”布置方式效果较为理想。

6 现场应用效果

综采放顶煤工艺具有开采速度快、回采扰动大、围岩破碎严重等情况。出于对煤矿开采安全考虑，确定了锚杆预紧力参数为60kN，间排距参数为600×600mm；锚索预紧力参数为120kN，布置方案设计为“五花”的巷道围岩支护方案。此方案应用在综采工作面上下平巷支护。为证明此支护方案的有效性，对上下平巷围岩的顶底板变形量和两帮的变形量进行了跟踪监测。在工作面向前推进的同时，布设相应的观测点，对与工作面相距140m 的距离进行了长期位移监测。在距离工作面100m 内，巷道的顶底板和两帮基本没有出现变形，随着距离的缩短，巷道的顶底板与两帮出现了不同程度的变形，尤其在0~40m 之间，围岩两帮的累计偏移量平均超过200mm，顶底板的偏移量超过150mm。与之前其他支护方案相比，此方案的偏移量相对较少，具有控制围岩变形的作用。

7 结论

通过试验与现场应用的综合性研究，明确了巷道围岩锚杆（索）支护附加应力场与预紧力、间排距以及锚索布置方式之间的内在关系，为更多的巷道围岩支护工作提供了理论依据和方案指导。具体如下：

（1）锚杆（索）支护附加应力场大小与预紧力大小正相关，随着锚杆（索）预紧力的增大，附加应力场也会相应增加。

（2）在一定范围内，随着锚杆间排距的增加，附加应力场的压应力程度、区域连续性以及支护影响范围会逐渐减小，使附加应力区出现薄弱位置，影响支护效果。

（3）锚索布置方式能够明显增强锚杆附加应力场的支护效果，扩大连续、均匀的应力场区，能够为锚杆（索）支护提供强有力的支撑，形成更加稳定的综合应力场。