全断面高预应力短锚索支护强烈动压影响极破碎围岩的研究与实践

蔺苏平，王子越（.山西煤炭运销集团保安煤业有限公司，山西 阳泉 045000；.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 0003）

全断面高预应力短锚索支护强烈动压影响极破碎围岩的研究与实践

蔺苏平1，王子越2
（1.山西煤炭运销集团保安煤业有限公司，山西 阳泉 045000；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013）

通过理论分析和数值模拟等方法分析了锚索长度对支护效果的影响，指出随着锚索长度的增加，锚索形成的预应力场覆盖范围减小，支护系统的刚度减小。根据分析结果，制定了全断面高预应力短锚索支护方案，并在保安矿15106补进风巷进行试验，矿压监测结果表明巷道围岩变形得到有效控制，全断面高预应力短锚索支护效果较好。

高预应力；短锚索；围岩支护；极破碎围岩；强烈动压

小孔径预应力树脂锚索具有锚固力大、锚固长度长、可施加预应力大、支护速度快等优点，在煤矿巷道支护中得到了广泛应用[1-4]。尤其全断面锚索支护为复杂困难巷道支护提供了强有力的支护手段。锚索支护机理也从传统的悬吊理论发展为锚索可以施加较大预紧力，对围岩施加压应力，与锚杆形成的压应力区形成骨架网状结构，主动支护围岩[5-6]。然而，受传统观念的影响，锚索设计长度往往偏长，个别矿区锚索长度甚至达到18 m。长锚索施工困难，极大影响支护速度，且成本较高。在煤矿经营困难的形势下，本着降本增效的原则，在保安矿15106补进风巷进行了全断面高预应力短锚索支护试验，通过理论计算和数值模拟分析了锚索长度与支护效果的关系。实践证明，在保证高预应力的条件下，全断面高预应力短锚索在极破碎围岩强烈动压影响巷道支护中效果较好。

1　不同长度锚索支护效果分析

1.1刚度分析

若锚索自由段内节理面张开位移为δn，见图1，则锚索提供的变形抗力可由下式[7]计算：

式中：σk为变形抗力，MPa；D为节理面距锚杆托盘轴向距离，m；L为锚索长度，m；E为锚索弹性模量，MPa；y为节理面点与锚索距离，m。

图1　锚索支护示意图

以长10 m和5 m的锚索进行对比分析，由上式可知，当节理面张开位移相同时，长5 m的锚索提供的变形抗力是长10 m的两倍。因此，随着锚索长度的缩短，锚索对支护范围内节理裂隙施加的变形抗力增大，支护体系刚度随之增大。

1.2预应力场分析

采用数值模拟软件FLAC3D对不同长度锚索的预应力场进行模拟，锚索长度分别为4 m、5 m、6 m、8 m、10 m。锚索预紧力统一设定为200 kN，锚固长度为1 400 mm。模拟结果见图2。

图2　不同长度锚索预应力场图

分析模拟结果可知，4 m长锚索预应力场完整覆盖了锚索支护范围，对围岩施加了有效压应力，主动支护效果好；5 m、6 m长锚索预应力场也基本覆盖了锚索支护范围，可实现对围岩的主动支护；8 m、10 m长锚索预应力场未覆盖锚索支护范围，在锚固段和托盘中间出现大面积无预应力部位，且预应力较低，主动支护效果差。因此，随着锚索长度的增加，锚索预应力场覆盖范围减小，主动支护效果减弱。

由刚度和预应力场分析可知，随着锚索长度的增加，支护体系的刚度减小，主动支护效果减弱。因此，锚索不宜过长。

2　工程实践

2.1工程概况

保安矿15号煤层的平均厚度为4 m，煤层结构简单，煤质疏松，节理裂隙发育。由于煤层具有较高冲击倾向性，掘进之前需布置防突钻孔，致使巷道周围8 m范围内煤体基本丧失完整性，内有明显空洞，见图3。

图3　 煤帮窥视图

巷道直接顶为石灰岩，平均厚度为2 m，内部富含方解石脉，易在方解石脉处发生离层、错动；老顶为5.5 m~8.8 m厚的砂质泥岩，较为完整。顶板结构见图4。

图4　顶板结构图

由于采掘时间衔接较为紧张，15106补进风巷在相邻15104工作面回采时即进行掘进，其间隔煤柱宽度为24 m。后因掘进期间瓦斯涌出量较高，为保证供风，在小煤柱内以炮掘方式掘进宽4 m、高4 m的配风巷，以构成U型通风系统。15106补进风巷与配风巷之间净煤柱宽度仅为7 m，其掘进期间受到15104工作面回采、15106配风巷掘进两次强烈采动影响，其巷道布置平面图见图5。故15106补进风巷为典型的极破碎围岩强烈动压影响巷道，支护难度较大。

图5　巷道布置平面图

2.2支护设计

根据前述锚索长度与支护效果的理论、数值模拟分析，确定全断面高预应力短锚索支护方案如下。

支护规格见图6，顶帮锚索均为1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，直径22 mm。顶锚索长5.3 m，每排5根，间距900 mm，排距900 mm。帮锚索长度4.3 m，每帮每排4根，间距1 100 mm，排距900 mm。锚索尾部采用配套的高强度锁具。锚索托板规格为300 mm×300 mm×16 mm的高强度可调心拱形大托板，承载力与锚索的索体一致，不低于600 kN。顶帮锚索均采用1支MSK2330和2支MSZ2360树脂药卷进行锚固，锚固长度1 900 mm。要求顶锚索初始预紧力大于250 kN，帮锚索初始预紧力大于150 kN。施工过程中特别注意施加合适的锚索预紧力。

图6　 支护规格图

3　支护效果分析

为了对巷道支护效果进行监测，在15106补进风巷布置多组综合测站，采用十字布点法对巷道表面位移进行监测，使用连续在线监测锚索测力计对锚索受力情况进行监测。3.1巷道表面位移

15106补进风巷道表面位移监测曲线见图7，分析位移变化曲线可知，巷道开掘初期位移发展较快，随着掘进工作面的推进，巷道逐渐趋于稳定，巷道掘进25 d之后，变形基本不再发展。巷道顶板最大下沉量为82 mm，底鼓量为204 mm，煤柱侧帮移近量为280 mm，实体煤侧帮移近量为160 mm。巷道顶板变形得到有效控制，支护效果较好，两帮移近量较大。

图7　巷道表面位移监测曲线

3.2锚索受力监测

图8为锚索受力监测图，分析可知一号、二号帮锚索预紧力较小，后期受力有较大增加，六号帮锚索未有效锚固，七号帮锚索受力急剧增加后脱锚，说明两帮煤体破碎疏松，帮锚索难以施加较高预紧力，初期支护刚度较小，不能有效控制两帮煤体破坏[8]，后期锚索受力明显增大。顶锚索最终稳定工作载荷与初期受力相差不大，说明顶锚索预紧力较高，支护刚度大，支护范围内顶板围岩保持稳定，变形和破坏得到有效控制。

图8　锚索受力监测图

4　结束语

1）随着锚索长度的增加，锚索预应力场逐渐无法扩散覆盖整个锚索支护范围，锚索的主动支护效果减弱，支护体系的刚度减小，因此，锚索不宜过长。

2）保安矿15106补进风巷直接顶的灰岩内部方解石脉十分发育，煤体经防突卸压孔破坏后丧失完整性，且受到多次动压扰动，应力重新分布叠加，导致围岩发生大面积塑性破坏，属于典型的强烈动压影响极破碎围岩，支护难度较大。

3）确定全断面高预紧力短锚索支护方案并实施于井下。矿压监测结果表明，全断面高预紧力短锚索支护显著提高了巷道围岩完整性及稳定性，支护效果较好，且短锚索施工方便、成本较低，为强烈动压影响极破碎围岩提供了有效、快速、经济的支护措施。

[1]康红普,林健,张冰川.小孔径预应力锚索加固困难巷道的研究与实践[J].岩土力学与工程学报,2003,22(3):387-390.

[2]林健,赵英利,吴拥政,等.松软破碎小煤体小煤柱护巷高预紧力强力锚杆锚索支护研究与应用[J].煤矿开采,2007,12(3):47-50.

[3]王成明,鞠文君.锚索补强加固技术的应用[J].煤矿开采,2001(4):55-59.

[4]冯京波.松散厚煤层全煤巷沿空掘巷锚索支护技术[J].煤炭科学技术,2008,36(2):23-26.

[5]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.

[6]褚晓威.小孔径预应力锚索预应力损失机理及试验研究[D].北京:煤炭科学研究总院,2010.

[7]王子越.树脂锚杆锚固质量和杆体变形特征研究[D].北京:煤炭科学研究总院,2014.

[8]康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3959-3964.

（编辑：李森森）

Effect of Strong Dynamic Pressure on Extremely Fractured
Surrounding Rock with Full Cross-sectional and High Pre-stressed Short Anchor Support

LIN Suping1，WANG Ziyue2
(1.Bao'an Coal Co.,Ltd.,Shanxi Coal Transportation&Sales Group,Yangquan 045000,China; (2.Mining Designing Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

Theoretical analysis and numerical simulation were used to study the effect of anchor length on supporting and draw the conclusion that,with the length increase,both the coverage of pre-stress field and rigidity of the supporting system decease.According to the research results,a supporting plan with full cross-sectional and high pre-stressed short anchor was established and was tested in No.15106 intake airway in Bao'an Mine.Mine pressure observation shows that the deformation of surrounding rock has been effectively controlled and the effect of the support is better.

high pre-stress;short anchor;surrounding rock support;extremely fractured surrounding rock;strong dynamic pressure

TD353.6

A

1672-5050（2016）02-0029-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.009

2015-12-14

蔺苏平(1983-)，男，山西阳泉人，大学本科，助理工程师，从事巷道支护的管理工作。