锚杆预应力对大跨度巷道围岩稳定性影响研究

张建国，陈广帅

(1.霍州煤电集团 晋南公司安全处，山西　河津　043300； 2.霍州煤电技术研究院，山西　霍州　031400)



·试验研究·

锚杆预应力对大跨度巷道围岩稳定性影响研究

张建国1，陈广帅2

(1.霍州煤电集团 晋南公司安全处，山西河津043300； 2.霍州煤电技术研究院，山西霍州031400)

摘要根据沙坪矿地质资料和308工作面切巷支护方法，建立数值模型，首先，分别设定锚杆预应力为其杆体屈服强度的30%、40%和50%，在不施加原岩应力的情况下分析了锚杆预应力在围岩中的分布特征；其次，在数值计算中加上原岩应力，分别分析了3种预应力条件下巷道围岩变形特征，确定了最佳预应力取杆体屈服强度的50%.通过井下预紧扭矩转化试验，确定了顶锚杆预紧扭矩为250 N·m，帮部预紧扭矩为200 N·m，在现场工程应用中取得了良好的效果。

关键词锚杆；预应力；大跨度；围岩；稳定性；预紧扭矩

工作面切巷由于安装支架的需要，巷道跨度较大，对于支护质量和支护强度控制要求高：一方面要求支架安装完毕时顶板围岩保持稳定，严防漏顶现象出现；另一方面，工作面回采时，避免开切眼支护强度过高出现难以垮落现象[1].预应力是锚杆支护系统的决定性参数，预应力过低，将导致锚杆支护产生的附加应力值小，形成的压应力区范围小，有效压应力区孤立分布，不能连成整体。在高预应力下，锚杆支护产生的附加应力场应力值大，形成的压应力区范围广，有效压应力区几乎覆盖了整个顶板，形成有机的整体，锚杆的主动支护作用得到充分发挥[2].根据国内外研究成果，预应力选择原则是使锚固区不产生明显离层和拉应力区且小于锚杆的屈服强度，锚杆预应力取值范围应达到杆体屈服强度的30%～50%时比较合理[3,4].

1工程概况

沙坪煤矿308工作面，东邻306工作面， 306工作面已开始末采，南接集中运输巷和回风巷，西、北均为矿井井田边界。308工作面切巷沿煤层顶板掘进，煤层平均厚为2.3 m，夹矸厚度为0.3～0.6 m，平均厚度为0.45 m.煤层倾角最大为9°，最小为1°，平均为5°.切巷平均埋深60 m，埋深变化不大，埋深较浅。切巷直接顶为泥岩，厚度为3.9 m，黑色，松软，之上为K2灰岩，厚度为0.64 m，再上为黄泥，厚度0.74 m；直接底为泥岩，厚度3.7 m，黑色，松软。切巷处无明显地质构造。

308工作面切巷断面为矩形，宽度5.6 m，高度2.6 m.巷道的支护断面见图1.

图1　巷道断面支护示意图

顶板采用锚杆+钢筋托梁和锚索支护，锚杆杆体为d20 mm的左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为335#，长度为2.0 m，锚杆排距1 000 mm，每排6根锚杆，沿巷道轴线对称布置，间距1 000 mm；锚索公称d17.8 mm，1×7股矿用钢绞线，长度4 300 mm，采用“二二”布置，排距1 800 mm，间距2 000 mm，2根锚索沿巷道轴线对称布置。帮部分为回采帮和非回采帮，由于安装支架后回采帮要进行割煤工作，给锚杆支护会带来不便，所以回采帮视变形情况可以不予支护；非回采帮采用锚杆+钢筋托梁支护，锚杆杆体为d16 mm的圆钢，长度1.6 m，锚杆排距1 000 mm，每排3根锚杆，间距1 000 mm，最上1根距顶板200 mm.

2锚杆预应力对围岩稳定性影响分析

2.1建立数值模型

根据沙坪煤矿具体地质条件和308切巷支护情况，经过简化建立FLAC数值模型，模型为长方体形状，长轴沿切巷轴线方向，长轴长度为20 m，短轴长度18 m，垂直高度15 m，垂直方向模型没有建立到地表，地表未建地层，用模型顶部压应力代替。长轴、短轴方向和模型底部边界均为固定边界，模型顶部为应力边界。模型从下到上分别为泥岩、煤层、泥岩、K2灰岩。

2.2预应力在围岩中分布特征分析

为了清晰地看到锚杆预应力在围岩中的分布特征，进行数值计算时，去除原岩应力，根据锚杆预应力取值范围应达到杆体屈服强度的30%～50%的原则，308切巷顶板锚杆杆体为d20 mm的左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服强度335 MPa，通过计算可以得出，顶板锚杆的预应力取值为31.6～52.6 kN.这里分别选取锚杆预应力为杆体屈服强度的30%、40%和50%，即预应力分别为31.6 kN、42.08 kN、52.6 kN，通过计算，得出3种锚杆预应力在切巷顶板形成的附加应力场分布，见图2.

图2　不同锚杆预应力形成的附加应力场分布图

从图2可以看出，锚杆施加预应力后，预应力通过托板传递给巷道围岩，在围岩中形成一定范围的压应力区，锚杆预应力为31.6 kN、42.08 kN、52.6 kN时，各锚杆形成的压应力区基本上都可以相互叠加，随着锚杆预应力的增大，锚杆预应力在围岩中扩散的范围更广，这样就使围岩中压应力区的整体性更好，而且使锚杆支护在围岩中产生的附加应力场应力值增大，在巷道围岩形成一个整体的压应力区，压应力区几乎覆盖了整个顶板，形成有机的整体，使巷道围岩处于压应力状态，提高围岩强度，锚杆的主动支护作用得到充分发挥，更有利于巷道的支护。

由分析可得，在锚杆的预应力取值为31.6～52.6 kN的情况下，预应力选择越大越好。

2.3不同锚杆预应力下巷道围岩变形特征分析

在数值模型中加入原岩应力，制定3种不同预应力的数值计算方案，3个方案中锚杆预应力分别取其本身屈服强度的30%、40%和50%，即方案一中顶锚杆预应力为31.6 kN，帮锚杆预应力为20.22 kN；方案二中顶锚杆预应力为42.08 kN，帮锚杆预应力为26.96 kN；方案三中顶锚杆预应力为52.6 kN，帮锚杆预应力为33.7 kN.3个方案中锚索预应力统一为100 kN.

经过计算，3个方案中，巷道围岩的变形情况见图3.

由巷道围岩变形数值计算结果可以得出，方案一中，巷道顶板最大下沉量为18.1 mm，最大底鼓量为2.3 mm，两帮中部移近量为1.56 mm；方案二中顶板最大下沉量为14.8 mm，最大底鼓量为2.06 mm，两帮中部移近量为1.35 mm；方案三中顶板最大下沉量为12.6 mm，最大底鼓量为1.87 mm，两帮中部移近量为1.12 mm.3个方案中左帮(支护帮)位移量小于右帮(无支护帮)位移量。锚杆预应力取其本身屈服强度的30%、40%和50%时，随着锚杆预紧力的增加，切巷顶、底板和两帮变形量均有所减小，巷道围岩稳定性得到加强。

图3　巷道围岩变形图

3现场应用分析

3.1预紧扭矩的确定

锚杆预紧力通过施加在锚杆端部螺母上的预紧扭矩转化形成，锚杆预紧力与螺母上的预紧扭矩成正比，现场材料和环境的不同都会影响预紧扭矩向预紧力转化的效果。本文运用该矿现场支护材料，通过扭矩扳手和锚杆测力计等仪器现场实验测定该矿施工过程中预紧扭矩向锚杆预紧力的转化情况，结合现场实际条件，最终确定合适的预紧扭矩。

通过现场实验，得出308工作面切巷现场预紧扭矩和预紧力的关系见图4.

图4　预紧扭矩与预紧力的关系图

从图4中可以看出，当帮部锚杆预紧扭矩达到200 N·m时，锚杆预紧力达到36.5 kN，达到帮锚杆屈服强度的50%，可以满足需求；顶锚杆预紧扭矩达到300 N·m时，预紧力达到67.8 kN，根据预紧扭矩与预紧力关系的变化趋势可以判定当预紧扭矩达到250 N·m时，顶锚杆预紧力可以达到顶锚杆屈服强度的50%，所以在308切巷施工过程中设定顶锚杆预紧扭矩为200 N·m，顶锚杆预紧扭矩为250 N·m.

3.2现场变形监测

按照上述的支护方式，顶锚杆预紧扭矩选择250 N·m，帮锚杆预紧扭矩选择200 N·m进行施工，目前切巷已经施工完毕，施工过程中，在距离切巷开口30 m处建立1组位移测站，进行巷道表面位移监测，当测站距离巷道迎头60 m时，巷道基本变形稳定，巷道变形量与测站距掘进迎头距离的关系见图5.

图5　巷道变形量与测站距掘进迎头距离关系图

由位移监测结果可知，顶板最大下沉量为25 mm，两帮最大移近量为6 mm，顶板和两帮变形均很小，支护效果显著。

4结论

1) 结合现有研究成果，经过数值计算及分析得出，当锚杆预应力达到锚杆本身屈服强度50%时，支护效果较好。

2) 由现场实验确定顶锚杆预紧扭矩为250 N·m，帮部预紧扭矩为200 N·m.

3) 通过施工过程中巷道表面位移监测得出，顶板最大下沉量为25 mm，两帮最大移近量为6 mm，巷道围岩得到了较好的控制。

参考文献

[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003:88-91.

[2]韦四江.预紧力对巷道围岩锚固体稳定的作用机理及工程应用[D].焦作：河南理工大学，2011.

[3]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社，2007:116-121.

[4]康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报，2007，32(7)：680-685.

Study on the Influence of Anchor Bolt Prestress to the Surrounding Rock Stability of Large-span Roadway

ZHANG Jianguo, CHEN Guangshuai

AbstractAccording the geological data of Sha'ping coal mine and the support method of 308 working face cross tunnel, establishes the numerical model. First, takes the value of 30%, 40% and 50% of anchor bolt yield strength as the anchor bolt prestress. Analyzes the distribution characteristics of the anchor bolt prestress in surrounding rock in the case of the original rock stress is not applied. Next applies the original rock stress, analyzes the deformation of surrounding rock under different anchor prestresses. Determines the optimal prestress is 50% of the yield strength of anchor bolt. By the transformation test of pretightening torque underground, confirms the pretightening torque of top anchor bolt is 250 N·m, and the pretightening torque of sides anchor bolt is 200 N·m, the result is good in the field engineering applications.

Key wordsAnchor bolt; Prestress; Large span; Surrounding rock; Stability; Pretightening torque

中图分类号：TD322

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)01-0026-04

作者简介：张建国(1985—)，男，山西临县人， 2015年毕业于辽宁科技大学，助理工程师，主要从事煤矿安全生产管理工作(E-mail)cgshpu@163.com

收稿日期：2015-11-17