锚索支护巷道的变形与受力分析

李 鹏

(阳煤集团二矿，山西 阳泉 045000)

0 引言

锚索支护作为一种新型的支护工艺，从上世纪90年代开始在煤矿推广以来，到目前为止在煤矿巷道支护中得到了广泛的普及，尤其是在煤矿煤巷的支护中，已基本取代了金属支架和木棚支护。锚索支护在实际应用中的优点主要表现在主动支护，控制变形有效，在后期的回采使用中端头维护和回收简便；另外，支护参数选择性大，即在不同的围岩状况下，可选择不同的支护参数，以适应巷道的围岩压力。但存在的问题主要表现为一条巷道往往是采用单一的支护方式，在地质条件发生变化时，大多只是进行简单的加强支护，在复杂的地质条件下巷道的支护方式不适合围岩的受力状况，致使出现巷道变形过大后期需要多次维护及顶板出现较大面积跨落等情况。本文根据锚索支护在阳煤二矿的实际应用为例，选取具有代表性地质条件和地质构造类型对巷道的受力及变形做出分类分析。

1 地质条件、巷道支护及观测分析

1.1 地质条件

阳煤二矿井田位于沁水盆地东北边缘，目前的主采煤层为15#煤，煤层位于二迭系太原组下部，钻孔揭露煤厚极大值为9.23 m，极小值为2.41 m，平均6.24 m，在生产采区附存较为稳定。15#煤顶板为砂质泥岩、泥岩，厚度变化较大，平均5 m左右。底板多为砂质泥岩或泥岩，局部为细、中粒砂岩，平均厚度3.0 m。相对于阳煤集团的其它井区，二矿的地质条件比较复杂。主要体现为地质构造比较发育，采区范围内陷落柱密度较大，煤层松软，岩层断层发育。断层中落差最大的 70 m以上，单个回采工作面内断层数最多可达10多条。

1.2 巷道支护

根据锚索的组合梁理论，该井区巷道大多采用矩形断面，岩巷采用锚喷支护或锚杆加锚索补强支护；煤巷基本全部采用“双锚”支护。即巷顶采用锚索紧固W钢带，巷帮采用锚杆带托板的支护形式。现以二矿扩三区81302进风顺槽为例具体说明。

断面与施工工艺：二矿扩三区81302进风顺槽沿15#煤底板掘进的全煤巷道，巷道断面为矩形。施工工艺为人工钻爆法，巷道全长793 m。

地质条件：二矿扩三区81302进风顺槽所处区段煤层厚6.0 m左右；煤层直接顶为黑色泥岩，厚度约4.0 m，致密、坚硬、较破碎；煤层老顶为灰黑色细砂岩，致密坚硬，厚度为5.0 m；煤层直接底多为铝土质泥岩或细砂岩，致密、坚硬。

巷道的支护形式：巷道顶部支护采用4.2 m四眼W型钢钢带，每排钢带上打注4根φ15.24 mm×5 200 mm锚索，垂直顶板打注。补强锚索采用φ15.24 mm×8 300 mm锚索，锚索下带1 200 mm29U型钢。补强锚索每两排钢带一根，位于距巷中0.7 m处，交错布置。

巷帮每帮打注4根φ20 mm×2 400 mm的钢锚杆。锚杆间距700 mm，排距950 mm。钢带及锚杆支护的排距为0.95 m。在实际施工时，在顶煤松软巷道成型的地段，用槽钢短截代替了钢带。

1.3 矿压观测

矿压观测：根据集团公司及矿有关文件的规定，该巷道在施工期间进行了矿压观测。观测内容为锚索受力状况和顶板离层量观测。

观测方式：在巷道掘进过程中每100 m设一个矿压观测站，每个观测站设一个离层仪和两块用于测量锚索受力状况的压力表(普通锚索和补强锚索上各一块)。

观测频度：巷道离煤头200 m以内的仪器每3～4 d观测一次，200 m以外每10 d观测一次。该巷道目前掘进进尺700 m，共设5个观测站，各观测站数据见表1，3#测点离层曲线如图1所示。

表1 矿压观测站离层仪压力统计表

注：表中距离均指观测站距掘进工作面的距离

图1 3#测点离层曲线

1.4 统计分析

巷道高度变形：①巷道高度变形中，顶板离层量大于巷道底板底鼓量；②浅部离层大于深部离层，浅部(0～4 m)离层为顶板离层的主要因素，顶板离层量最大为100 mm；③巷道顶板的离层大部分产生于距离掘进头10～50 m之间，50 m以后顶板离层量小于总量的30%，巷道趋于稳定状态；巷道顶底板移近量平均值为57 mm，其中顶板下沉量平均值为41 mm，巷道底板拱起量为16 mm，形成巷道高度变化的主要原因是顶板下沉。

巷道两帮移近量：两帮移近量平均累计值为24 mm，两帮移近量偏离平均累计值较大的主要有2#测点。据观测，该区域两煤帮松软，顶板较其它区域破碎严重。与顶板离层相区别的是，两帮移近量发展缓慢，由长期流变产生。

巷道变形机理：一般情况下巷道变形是由矿压应变和巷道流变2部分构成，前者是由于巷道开挖后形成的矿压对巷道自由面的作用引起，这一部分变形的时间较短，一般在距掘进工作面50 m段内完成，是巷道的主要变形；巷道流变是巷道在长期存在的过程中形成，发展较缓慢，是巷道的次要变形。通过上边的数据显示：①在巷道变形量中，巷道高度的变形是主要的变形，而顶板下沉是巷道高度变形的主要因素；②在同样的支护方式条件下，不同区段的巷道变形差别明显。所以在变形和受力分析中着重考虑巷道顶板的受力和变形及在不同地质条件下的巷道顶板的受力状态。

2 巷道变形受力分析

根据锚索支护理论可知，预应力锚索对巷道支护的主要作用是对围岩的悬吊和加固。悬吊作用主要是针对巷道开挖后在巷道周围形成的松动岩层提供拉力支持；加固作用的对象是巷道周围具有承压能力的岩层进一步加强，使其具有更大的承载作用。支护参数选择的依据就是要使锚索产生的拉力足以满足上述2项要求。实际上，井下同一条巷道的不同区段的地质条件是不同的。而不同地质条件下围岩本身的力学性质和需要提供的支护阻力也不相同。所以在同样的支护方式下，巷道的变形量也差别很大。现就81302进风巷的地质条件为例作进一步的分类，以确定不同类型地质条件下巷道围岩对应的力学模型。

阳煤集团二矿属于地质构造复杂区域，由于地质条件的特殊性对巷道支护有特殊的要求，简单的顶板悬吊和加固只适应稳定围岩条件下的顶板支护，而在构造区这种理论有很大的局限性，尤其是在不同的地质构造条件下需要对锚索支护理念进行丰富和扩展。扩三区81302进风所处区域的地质构造在阳煤的地质复杂区具有一定的代表性。

2.1 完整顶板

地质条件特征：煤层及上覆岩层几乎没有受到地质运动的破坏，附存状况良好，巷道上方的顶煤和直接顶具有较强的抗压抗变形能力。符合此类条件的区段为3号矿压站附近。

受力分析：上述地质条件下的巷道顶板围岩比较完整具有较好的力学性能，受力状况符合连续性组合梁的力学特征。连续性组合梁的特点是梁体内的应力主要是由弯矩引起的拉应力和梁体层间的剪应力。连续型梁的锚索支护作用主要是增加组合梁的支点，减小梁体的跨度。

减跨理论主要是基于梁或板为模型的理论提出的锚杆、锚索联合作用原理。即当巷道顶板为层状岩层时，其变形特征近似于组合梁的性质，此时锚杆或锚索的作用是通过锚杆或锚索的轴向作用力将顶板分层夹紧，以增强各分层之间的摩擦作用，并借助锚杆自身的横向承载能力提高顶板各分层间的抗剪切强度以及层间粘结程度，使各分层在弯矩作用下发生整体弯曲变形，呈现出组合梁的弯曲变形特征，从而提高顶板的抗弯刚度和强度，但由于锚杆的作用并不能从根本上改变顶板的整体变形程度，必须通过锚索支护增加顶板组合岩层的支点，缩短梁或板的弯矩，减少其中因横力产生的弯矩及弯曲应力、尤其是弯曲拉应力，从而有效减小顶板整体变形程度，提高整体的稳定性，如图2所示。

图2 锚索的减跨作用图

变形特点：梁或板的变形特点主要是弯曲变形，巷道顶板弯曲属于弹性变形，在不发生顶板破坏的情况下，这类巷道的变形量较小(3号矿压站的离层变形为20 mm)。巷道目前采用的支护形式对管理此类顶板是有效的。顶部的4根5 m锚索的锚固点处于煤层的直接顶板中，使巷道顶板形成了一个多支点梁。

2.2 松软煤层顶板

地质特征：井下煤层在长期附存过程中经历多次的地质运动，这些地质运动对局部的煤层及煤层上下部的岩层形成明显的破坏，具体表现为煤层松软，节理发育，局部区段煤层几乎没有明显的层理，抗压抗弯曲的力学性质很差。在实际施工时，巷道顶部的局部或全部的煤层在实行支护之前会自行冒落，当然此时煤层上方的顶板岩层也较破碎。符合此类条件的区段为2号矿压站附近。

受力特点：巷道周围的围岩有较大厚度的松散层，力学状况较差，不足以单独承担巷道顶板压力，所以必须借助锚索把压力传递到较稳定深部岩层。由于巷道顶板煤层和岩层的破碎，内部应力方向不再是垂直于层离面，而是形成一个多方向的指向巷道截面重心的应力场，内部受力以压应力为主，对于巷道周边的岩层可近似看作一个平衡拱。此时锚索支护的特点是利用锚索的悬吊作用，但是锚索提供的是竖直向上的拉力，平衡拱的水平分力全部由围岩煤体来承担，对松散的围岩形成了进一步的破坏作用。力学模型如图3所示。

图3 松散煤体的平衡拱模型

变形特点：此类巷道在使用锚索支护后仍能在短时期形成力学平衡，但由于围岩状况较差，巷道支护参数和巷道围岩上的矿压不完全匹配，所以巷道周边被紧固的煤岩在矿压和锚索预紧力的作用下局部被破坏并发生缓慢变形，当位移达到一定量后巷道围岩受力状况发生改变，导致巷道局部处于失稳状态，所以变形量加大。下部围岩的破坏变形会引起上部较稳定岩层的进一步破坏。所以巷道变形量相对较大，而且持续时间较长。因此此类巷道支护，锚索不但要满足巷道松动圈的悬吊作用，而且需要加强对巷道侧压的支护和增加锚索密度，减少自由面的跨度，有效束缚出露岩层的变形。在支护参数的调整中，建议加大支护密度，锚索角度不再是沿重力方向布置，应该垂直于巷道周边的切线。

2.3 节理发育煤层

地质特点：此类岩层仍属于受破坏岩层，煤层以及煤层上覆岩层节理发育，除去节理面附近岩层其余部分还具有自承能力。符合此类条件的区段为1号矿压站附近。

受力特点：此类岩层的受力特点类似于完整顶板岩层，但是岩层在节理面处属于弱面，不承受剪应力。巷道地上覆岩层出露后相当于一端固定的悬臂梁。悬臂梁的受力还是以弯矩为主，由弯矩引起的内部拉应力在节理面处几乎为零，而在巷帮悬臂梁的固定段拉应力达到最大值，在节理面处变形量最大。力学模型如图4所示。

图4 节理发育的悬臂梁模型

变形特点：此类条件顶板的变形类似于第一类顶板，但由于巷道中中部存在弱面，巷道中部的锚索拉力比一类顶板岩性条件下明显较大，锚索拉力不但要满足承载围岩重量，而且要有效控制节理面的变形。以一类顶板条件为基础设计的支护参数又可能不满足有裂隙面的顶板要求。在81302进风巷中出现锚索断裂情况的大多在这个区段。

3 巷道支护的改进

由于在实际施工中存在不同类型的顶板条件，所以在工作面设计中充分考虑不同地质条件下的不同受力特点，根据不同的力学模型去设计合理的巷道支护形式。而目前掘进规程中巷道支护参数的设计都是以一种顶板条件为依据确定的，在应对不同的地质条件时只是简单地加强锚索数量，没有针对措施，造成巷道采用的支护参数和巷道围岩条件不适应。实际生产实践是一个动态的过程，这就要求工程技术人员在制定掘进规程时不但要制定不同的支护方案，而且要加强现场的观测。

3.1 按地质条件选择支护方式

在实际的施工中，对不同地质条件的区段要有合理的支护。在支护理论中，跨度梁、平衡拱、悬臂梁属于不同的力学模型。不同的力学模型巷道的支护形式和支护参数有明显的区别，其中对跨度梁的支护主要是悬吊加固，加固原岩提高原岩的力学性能，此时锚索提供张力垂直于岩体的揭露面。松散煤体的平衡拱结构下锚索的主要作用是悬吊外围岩体，给深部岩体一个压应力以增强深部围岩的承压能力，此时的支护要点：锚索要垂直平衡拱法线，而且由于外围松散层的存在锚索长度要相应加长。对于因节理存在而形成的悬臂梁结构，外围岩石的受力类似跨度梁，区别之处在于对节理面的控制，因为巷道断面的最大变形处于街里面处而非巷道顶板的中部。这3种力学模型均为典型的岩体力学模型，在工作面设计中应明确对应的支护形式而不是仅仅的后期加强措施。

3.2 建立常态观测制度

巷道周围的岩层在经过支护以后，基本处于一个平衡状态，但是小量变形即流变仍然存在，而且这种变形是一种塑性变形，由于发展缓慢容易被忽略。流变对巷道的危害在于，当总变形量达到一定量后，初期的平衡条件被改变，在采动影响或地质运动的激发下，出现顶板跨落或锚索断裂等情况。这也是主动支护的缺点，而且这种流变有可能被忽视。要求对锚索支护巷道建立常态矿压观测制度，当变形临近或大于警戒值要引起注意，并有相应的应对措施。

3.3 分类观测

在巷道掘进中不但要进行现有的巷道矿压观测和岩性探测，对相同顶底板状况的巷道，还应进行进一步的分类。对目前施工队区段具体属于哪一类型顶板做出正确的认定，然后能及时向有关部门反映，商定科学合理的支护方式。

4 结论

(1)煤矿井下地质条件复杂多变，不同区段的岩体岩性区别明显、存在各种不同的地质构造。在煤矿巷道实际施工中，力学模型和支护参数选择不合理，是造成巷道变形过大、巷道顶板垮落的直接原因。

(2)巷道变形是由矿压应变和巷道流变2部分构成，巷道高度的变形是主要的变形，而顶板下沉是巷道高度变形的主要因素。在同样的支护方式条件下，不同区段的巷道变形差别明显，所以着重考虑巷道顶板的受力和变形及在不同地质条件下的巷道顶板的受力状态。

(3)跨度梁、平衡拱、悬臂梁统属于不同的力学模型。不同的力学模型巷道的支护形式和支护参数有明显的区别，应按不同的地质条件确定与之相应的支护形式。