基于锚杆锚索支护条件下围岩稳定性分析

王二喜

（山西楼俊集团赵家庄煤矿，山西 柳林 033300）

煤矿巷道开挖后，围岩应力重新分布，锚杆与围岩的耦合作用可以有效提高软弱、破碎岩层的承载能力，因此锚杆支护广泛应用于矿井巷道的支护［1］。在实际工程中，施工工艺、地质条件及巷道断面等参数的不同导致支护参数有差异［2-3］。矿山巷道不同于地下工程中的隧道及地铁工程，巷道断面主要有圆形、拱形、矩形、梯形等，不同断面形状的巷道受力特征差异较大。对于矩形巷道而言，大部分学者通过数值模拟方法求解塑性破坏范围，这与实际工程有差异；对于矩形巷道围岩稳定性的问题，应当将顶板控制和两帮维护视为一个有机整体，以整体性的锚固结构评价围岩受力变形特征更切合工程实际。为此，本文拟从理论计算、数值模拟及工程应用等方面出发，初步探讨矩形巷道锚杆锚索支护技术。

1 工作面概况

赵家庄煤矿1001 工作面运输巷顶底板整体上呈现西高东低的趋势，工作面地表为工业园区，其余为平缓的沙丘地带。工作面北以1001 回风巷为界，南侧为1001 运输巷，东侧为采空区，西侧为1002 设计工作面。工作面煤层以亮煤为主，煤层平均厚度为3.1 m，中部含有0.3 m 夹矸，无明显断层，赋存稳定。

2 支护模型分析

为了分析锚杆锚索支护的力学特性，建立力学模型简图见图1。图中q、e分别为上覆岩层、两帮围岩对巷道的作用力；X1、X2、X3分别为截面所受剪力、弯矩和轴力，锚杆锚索提供的支撑力为Fm，其中，力单位为kN，弯矩单位为kN·m。

图1 锚杆锚索力学模型简图

对支护结构进行力学分析，做以下假设：

（1）巷道宽度为b，高度为l，单位为m；

（2）巷道顶板中间位置处载荷对称性的关系，因此忽略轴力X3作用；

在外载荷作用下，力学模型中顶板左侧及巷道左帮界面弯矩可分别用公式（1）、（2）表示：

因此可以计算得到顶板左侧位移量Δ1、巷道左帮位移量Δ2：

式（3）、（4）中：EdId为顶板的刚度；EbIb为巷道两帮的刚度，N·m。

力学模型对称，因此顶板右侧的位移量等于顶板左侧的位移量，巷道右帮的位移量等于巷道左帮的位移量，根据建立的力学模型，可计算顶板最大剪力和最大弯矩值，分别用公式 （5）、（6）表示：

同理得到巷道两帮最大剪力和最大弯矩值，分别用公式（7）、（8）表示：

实例中，矩形巷道的实际宽度5 m，高度为4 m，原有支护方案下，锚杆锚索轴力值为150 kN，巷道埋深按照250 m 计算，巷道顶板的最大弯矩值150 kN·m，最大剪力值为60 kN；两帮最大弯矩值128 kN·m，最大剪力值为48 kN。巷道围岩实际弯矩值及剪力值大于最大值时，巷道围岩便发生失稳现象。

3 支护稳定性分析

锚杆锚索联合支护下，巷道的稳定性分析主要包括变形稳定性和强度稳定性两方面。变形稳定性主要是指顶板下沉量及两帮收敛量均在允许范围内，该部分分析以实际工程为例；强度稳定性主要是指在锚杆锚索联合支护作用下，围岩承载体的刚度及强度性能提高。借助FLAC3D数值模拟软件对相同锚索支护下不同锚杆间排距及轴力下围岩变形的影响进行分析，其数值模拟条件如下：

1）巷道宽度为5 m，高度为4 m；

2）锚索直径17.8 mm，长度7 000 mm，锚索间距为4 000 mm，锚索提供的轴向应力值为150 kN。

3）对于顶板岩层而言，岩层的弹性模量为20 GPa，内聚力为1.2 MPa，内摩擦角为30°，容重为26 kN/m3；对于巷道两帮岩层而言，岩层的弹性模量为10 GPa，内聚力为0.8 MPa，内摩擦角为30°。

锚索支护方式相同，模拟锚杆不同间排距及轴力下围岩的变形量，得到的模拟结果见图2。从图中可知，随着锚杆间排距的增加，顶板下沉量及两帮收敛量均呈现逐渐增大的趋势，当锚杆间排距为0.8 m 时，顶板下沉量及两帮收敛量值均最小，分别为20 mm、7 mm，锚杆间排距为1.5 m时，顶板下沉量及两帮收敛量值均最大，分别为24 mm、10.4 mm，涨幅分别为20%、48.57%，可见锚杆间排距对于巷道两帮变形影响更明显；锚杆轴力不同，围岩变形量也有差异，总体而言，随着锚杆轴力的增加，围岩变形量呈现递减的趋势，锚杆轴力为40 kN时，顶板下沉量及两帮收敛量值均最大，分别为26 mm、12 mm，锚杆轴力为100 kN时，顶板下沉量及两帮收敛量值均最小，分别为20 mm、6.1 mm，降幅分别为23.07%、49.17%，可见锚杆轴力对于巷道两帮变形影响更明显。

图2 锚杆间排距及轴力对围岩变形的影响

综合分析锚杆间排距和轴力对围岩变形的影响，较小的锚杆间排距和较大的锚杆轴力下巷道围岩变形量最小，但在实际工程中，出于成本考虑，应该选择最佳的锚杆间排距和轴力进行巷道围岩的支护，以维护巷道的稳定性。

4 应用分析

以1001 运输巷为工程应用实例，其巷道支护方案设计如下：巷道顶板选择直径22 mm，长度1 600 mm 的左旋螺纹钢锚杆，每排布置6 根，每根锚杆需配合使用一支Z2360 和一支K2335 树脂药卷，锚杆轴力为50 kN，间排距为900 mm×900 mm；巷道两帮选择直径为18 mm，长度为1 800 mm 的圆钢锚杆，锚杆的锚固力为40 kN，每排布置两根锚杆，同样需配合使用一支Z2360 和一支K2335树脂药卷，所有锚杆在施工过程中需保证托板的外漏长度小于30 mm；锚索直径17.8 mm，长度7 000 mm，锚索间距为4 000 mm，锚索提供的轴向应力值为150 kN，每根锚索需配合使用三支Z2360 树脂药卷，同时顶板用规格为Φ6.5 mm×150 mm×150 mm 的钢筋网片进行加强支护。

根据支护、岩性参数，分别代入公式（5）、（6）、（7）、（8）计算，得到顶板的最大弯矩值35.54 kN·m、最大剪力值为55 kN，两帮最大弯矩值19.54 kN·m、最大剪力值为30.54 kN，各参数均小于理论计算值，支护方案满足强度要求。

巷道掘进支护后，对其顶板及围岩变形进行为期15 天的跟踪监测。监测结果显示，在监测初期5 天内，巷道围岩变形速率较大，监测天数达到12 天后，变形量逐渐趋于稳定，监测过程中，顶板最大下沉量20.81 mm，两帮最大变形量6.86 mm；新支护方案有效控制了围岩的变形，现场施工时间缩短了22.8%，以较低的成本提高了围岩结构的整体性，经济效益显著。

5 结论

1）基于矩形巷道锚杆锚索力学模型分析，得到巷道顶板及两帮最大剪力和最大弯矩值，用于判断巷道是否失稳。

2）通过锚杆锚索联合支护分析，认为较小的锚杆间排距和较大的锚杆轴力下对于维护巷道稳定性效果最佳。

3）拟定锚杆锚索联合支护方案，工程应用表明，能有效控制围岩的变形，支护方案具有短时间、低成本、高强度特点，充分发挥围岩承载能力和锚杆支护强度的优势。