煤巷复合层顶板长短锚杆联合支护技术研究

邓 磊，东兆星

（中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221116）

煤巷复合层顶板长短锚杆联合支护技术研究

邓 磊，东兆星

（中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221116）

针对普通等长锚杆在煤巷复合层顶板应用中的缺陷进行了长短锚杆联合支护技术的研究。基于山西汾西矿区中兴矿材料巷道设计七种联合支护方案，采用FLAC3D数值分析软件模拟不同工况下巷道支护。得到了在巷道顶板中部布设长锚杆受拉能有效控制表面位移、改善围岩应力分布，外侧布设短锚杆承受剪力能阻止层间滑动，节省支护成本的结果。结果与原工况的对比证明了长短锚杆在复合层顶板支护中能满足预期的要求，且采用DCC组合时支护效果与原工况最接近的结论。对长短锚杆的作用机理的推测为联合支护的应用提供了参考。

复合层顶板；长短锚杆；联合支护；数值模拟

锚杆支护研究是地下工程的一个热点，普通锚杆支护时通常设计为等长锚杆的形式。但在山西汾西矿区特别是中兴矿材料巷道支护的过程中发现了等长锚杆的局限性。在巷道顶板为复合层顶板的复杂地质条件下，当全部采用长锚杆进行支护时，掘进时间与支护时间严重不匹配，锚杆支护花费的时间长，成本高，而当全部采用短锚杆进行支护时，又由于锚杆长度较短无法深入到复合层顶板中的较坚硬岩层中而导致支护效果不理想，且存在着较大的安全隐患，因此等长锚杆并不适用。同时在另一些复合层顶板工程施工中也遇到了普通等长锚杆支护的文图。如姚桥矿［1］综采工作面工程中，锚杆由于施工条件的限制，长度不足以穿越煤层锚固到坚固围岩，特别是在顶板破碎发育的巷道区段，锚杆无法承担荷载。赵固矿［2］采掘工程中为了解决工作断面的支护问题，采用锚杆锚索组合支护技术。王志刚等［3］研究了可接长锚杆及其在复合层巷道顶板支护中的应用，王飞等［4］研究了复杂顶板条件下可接长锚杆在高应力软岩巷道中的让压支护技术，贾东修等［5］对拱形断面复合层顶板的锚杆锚索联合支护进行了研究。这些研究和工程问题都说明在复合层顶板这一特殊工程条件下普通等长锚杆应用的局限性。

针对复合层顶板这一复杂地质条件下支护困难，围岩易破坏等特点。本文采用长短锚杆支护复合层顶板，利用锚杆长度的差异化来实现加固围

岩，保护围岩的稳定性。以中兴矿材料巷道为研究对象，对长短锚杆的联合支护进行了模拟仿真，并将模拟结果与原工况等长锚杆支护效果进行对比，证明了长短锚杆在复合层顶板支护的优越性。

1 工程概况

中兴矿某材料工作面材料巷道顶、底板岩性见表1，巷道平均倾向为5°，巷道断面设计为矩形，原采用等长锚杆、钢筋托梁的支护形式，巷道掘进宽度为4200mm，高度为2700mm。实施过程中发现复合层顶板地质情况复杂，采用加长锚杆长度以确保安全，导致支护方案锚杆支护花费的时间长，成本过高。

2 联合支护研究

针对上述工程问题，对复合层顶板采用不同长度锚杆组合形式进行试验。锚杆布置如图1所示，对称巷道顶板共设置六根锚杆，取中点左侧锚杆组合为例，其形式如表2所示，其中长锚杆取2.2m，记为C，短锚杆取1.7m，记为D。监测内容见表3。

图1 锚杆示意图

表2 锚杆组合形式

表3 巷道监测内容

2.1 模型的建立

巷道开挖模型见图2，边界条件见图3。

2.2 模拟参数设定

采用摩尔-库伦强度准则，岩石参数取自该矿地质资料和项目验收报告见表4。

2.3 结果分析

2.3.1 位移结果分析

关键点示意图如图4所示。

图2 模型示意图

图3 边界条件示意图

表4 岩石的材料参数

图4 关键点示意图

2.3.1.1 顶部沉降分析

沉降分析选取薄弱点巷道顶板中点、矩形巷道角点为关键点K1、K2。前者是一般巷道沉降最大值点，后者是伪顶与煤层的分界点，易产生应力集中与位移突变，另取数值模拟的位移最大值为关键点K3。关键点的位移柱状图如图5～7所示。

对于巷道顶板中点处的关键点K1，DCC和CDC组合对复合层顶板位移控制较好，其与原支护方法相比顶板沉降增量为4.05%，故采用DCC和CDC组合支护效果最好。考虑到巷道顶板中部是变形最大的部位，在此处应布置长锚杆，以便有效地控制其变形及位移量；而DCC组合时离K1较远处选用的是短锚杆，由此推测，该短锚杆对K1的影响较小，即锚杆有一定的加固范围；另一方面，CDD组合时其位移值最大，顶板沉降增量达到20.65%，由此可见在巷道顶板中部布置短锚杆时，其支护效果不理想。

对于矩形巷道右上角的关键点K2，由其沉降柱状图可以看出，长短锚杆联合支护对矩形巷道角点有一定的影响，但影响有限。角点处的整体沉降量均小于复合层顶板中点处的沉降值，预测角点处可能出现的位移突变并没有出现，因此长短锚杆联合支护对于角点的影响可以忽略不计。

对于巷道顶板最大沉降值的关键K3，由于整个材料巷道顶板的岩层倾向的影响，矩形巷道的右上侧煤层与伪顶，伪顶与直接顶的分界面相对于左侧更为靠近巷道，由于各层间岩层参数的不同，在巷道顶板右侧产生了最大的沉降值是合理的。由表5和图7分析可知，DCC和DCD组合对于复合层顶板最大沉降值的控制效果最佳。对此种现象进行分析，由模拟实验可得最大沉降量出现的位置均位于矩形材料巷道顶板最右侧的两根锚杆之间。对DCC和DCD组合而言，中间采用长锚杆的支护方式正好深入到了复合层老顶之中，限制了巷道顶板的表面位移，在其加固范围内减少了右侧危险点的最大沉降值。

2.3.1.2 侧壁收敛分析

取关键点K4，K5研究两帮位移变化趋势见图8所示。

图5 K1沉降柱状图

图6 K2沉降柱状图

图7 K3沉降柱状图

图8 两帮位移收敛曲线

表5 底板隆起值/m

由上述结论可知，复合层顶板锚杆的不同组合会对两帮的相对移近量产生影响，长短锚杆的组合两帮移近量的总体趋势是变大的。通过数据对比发现，CCD、CDD和DCD三种组合对两帮相对移近量产生的增量最大，其原因在于巷道复合层顶板最外侧的锚杆并不是竖直的深入到岩层中而是与水平角呈75°，不仅是作用于顶板，还对围岩的两帮的位移有控制作用。其中DCC组合最接近于原始工况，产生的相对位移增量为0.35cm，这个值相对于巷道尺寸和总的变形量是很小的，因此在此工程背景下长短锚杆的应用就两帮的变形量而言是安全可行的。

2.3.1.3 底板隆起分析

取关键点K6研究底板隆起见表5。坑底的隆起值相对于顶板的沉降量减少了一个数量级，其原因在于巷道直接底岩层稳固。因此，此工程背景条件下长短锚杆联合支护对底板的影响可忽略不计。

2.3.2 应力结果分析

图9、图10为巷道在不同锚杆组合情况下的最大主应力图，根据上述的主应力云图模拟结果可以得出以下的结论。

图9 最大主应力云图

图10 DCC组合最大主应力云图

1）锚杆加固具有一定的范围，以伪顶和直接顶为研究对象。有锚杆存在的区域，锚杆对应力状态的改善作用十分明显。在有锚杆支护的作用区域，最大主应力的数值明显小于没有锚杆支护的作用区域。

2）深入到老顶的长锚杆在老顶中形成了一个明显的加固区，说明长锚杆不仅在控制复合层顶板位移发挥了作用，同时能够改善老顶的应力状态。

3）CCC组合和DCC组合的最大主应力云图几乎相同，可以推测最外侧的锚杆对应力改善的作用有限，可以适当减少其长度以节省成本。另外通过DCC、DDC和DCD组合的交叉对比可以得到巷道顶板中点两侧的锚杆对老顶的应力改善作用最为明显。

2.3.3 锚杆受力分析

复合层顶板长短锚杆层间剪力如图11所示，层间拉力如图12所示。由图11、图12可知，在相同位置的长短锚杆分别作用时，短锚杆承受了大部分的剪应力作用，长锚杆承受了主要的拉力作用。图11中伪顶与直接顶，直接顶与老顶的分界面短锚杆起到了承受剪应力，起到了阻止层间滑动的作用，同时将上下岩层连接成整体组合受力。而从图12可知，长锚杆平衡承受了大部分的拉力作用，将下部的围岩悬吊于顶部坚固的岩层中，起到控制位移的作用，其控制能力随着时间的增长而更加明显。而图11中短锚杆的拉力突变是由于开挖后，应力突然释放，伪顶与直接顶之间的层间联接更薄弱造成的，随着时间增长，逐步由长锚杆承受主要拉力。

图11 层间锚杆剪力曲线

图12 层间锚杆拉力曲线

2.3.4 长短锚杆作用机理

综上所述，长短锚杆联合支护时长锚杆主要起到控制位移的作用，短锚杆主要起到加固作用。长短支护作用机理可概述为如下两个方面。

1）当顶板岩石是层状分布时，短锚杆将各个薄

的岩层贯穿在一起形成一个一定厚度的组合梁［6］，薄的岩层能抗拒的拉应力较小，而厚的组合梁抗拉强度大大提高；在岩石层面交界处，短锚杆与胶结物一起共同阻止岩层沿层理面的水平错动；长锚杆将短锚杆形成的组合梁悬吊深部较稳定的岩层中，从而使巷道顶板满足稳定性的要求［7］。

2）当顶板岩石节理、裂隙较为发育，即顶板岩石较为破碎时，巷道开挖后，岩体群会沿着巷道径向收敛，向巷道空间运动，使岩块相互嵌合；借助岩块间的摩擦力，岩块间自锁，同时在短锚杆的作用下，各岩块挤压成拱，此岩石拱［8］支承了破裂带岩体的大部分；同时，在长锚杆的作用下，将此岩石拱悬吊在深部较稳定岩层中，从而使巷道顶板满足稳定性的要求。

3 结 论

经项目讨论后中兴矿巷道采用DCC组合支护复合层顶板，现场实测表明该组合支护能达到设计效果。综上所述可以得出以下结论。

1）巷道复合层顶板支护采用特定的长短锚杆组合的方式能够达到支护要求，同时能够节约成本，缩短支护时间，为快速掘进和施工创造条件。

2）就本工程背景而言，DCC组合方式效果最佳，说明在类似的工程条件下，最外侧的锚杆可以采用短锚杆替代长锚杆的支护方式。此时，长锚杆主要起到控制位移的作用，短锚杆主要起到加固作用。

3）现实的工程中有采用锚杆-锚索联合支护的形式。因此采用长短锚杆联合支护利用侧重点不同的支护机理的综合应用是可行的并具有现实的意义。

［1］ 邹长磊，周钢，王鹏举，等.全煤巷道接长锚杆悬吊单轨吊技术研究［J］.矿山机械，2013（6）：21-24.

［2］ 赵志强，贾后省，王志刚，等.大采高超大断面切眼长锚杆锚索组合支护技术［J］.中国煤炭，2013（11）：67-71.

［3］ 王志刚，白浪，董阳阳，等.可接长锚杆及其在巷道顶板支护中的应用研究［J］.煤炭工程，2015（5）：51-54.

［4］ 王飞，刘洪涛，张胜凯，等.高应力软岩巷道可接长锚杆让压支护技术［J］.岩土工程学报，2014（9）：1666-1673.

［5］ 贾东修，李延奎，胡成忠，等.复合层顶板拱形断面锚杆锚索联合支护技术［J］.中国煤炭，2007，33（9）：30-32.

［6］ 刘安秀，曹朋，陈斌.典型锚杆支护巷道含软弱夹层顶板组合梁模型新研究［J］.矿业安全与环保，2011，38（5）：74-76.

［7］ 贾颖绚，宋宏伟.土木工程中锚杆支护机理研究现状与展望［J］.岩土工程界，2003，6（8）：53-56.

［8］ 潘睿.锚杆组合拱理论在煤巷中的应用［J］.矿山压力与顶板管理，2002（2）：57-58.

Research on bolting with difference scale in composite layer of roadway roof

DENG Lei，DONG Zhao-xing
（School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China）

The study focuses on the combination of bolting with different scale to solve the disadvantages in composite layer of roadway roof.FLAC3Dhas been applied to analyzing the research which including seven combinations.The results show the long bolting can control displacement and stress distribution，and the short bolting can prevent from sliding.The new method can meet the expected requirement to compare with the old，and DCC is closest to the original results.The mechanism of bolt with different length has been speculated.This paper is of great significance in application of the bolting in the future.

composite layer of roof；bolting with difference scale；combined supporting；numerical simulation

TD353

A

1004-4051（2016）09-0092-05

2015-12-17

邓磊（1990-），男，硕士研究生，研究方向为岩土工程加固与处理。E-mail：cumtdenglei@163.com。