预应力连续性围岩控制技术研究与应用

万 峰，汪占领，张洪清，范明建，闫寿庆，郭罡业

（1.扎赉诺尔煤业有限责任公司，内蒙古满洲里 021410；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013）

随着煤炭资源的不断开采，巷道所处地质条件日趋复杂，围岩大变形控制技术研究一直是研究的焦点[1-2]。目前，锚杆支护已经被广泛应用于巷道支护中。锚杆预应力对围岩控制具有重要意义，当预应力小于某一定值时可能导致事故的发生[3]。基于等应变假设，Chen 等人建立了锚索的预应力变化预测模型[4]；Liu 等研究了预拉力和围岩变形作用下锚索锚固段的受力机制[5]；Wang 等人认为随着岩石强度的降低，高预应力锚杆中性点的位置向围岩深处移动[6]；Chong 等人研究了预应力对围岩的控制效果[7]；Wang 等人认为锚固长度和预紧力是围岩控制的主要影响因素[8]；张农等人提出煤巷连续梁控顶理论，在保障围岩稳定的条件下，实现鄂尔多斯矿区巷道月进尺超1 000 m[9]；康红普等人分析了锚杆支护参数对锚杆预应力引起的应力场-锚杆预应力场的影响，研究了锚杆托盘的围岩控制效果[10-11]；刘家成等人采用数值模拟研究了全长锚固预应力的传递规律[12]；刘文伟、刘锦荣等人在大断面巷道采用高预应力锚杆（索）支护起到了良好的围岩控制效果[13-14]；王晓卿等人用数值模拟分析了黏结刚度对预应力锚杆支护效果的影响[15]；黎海滨等人研究了锚杆安装角对锚固效果的影响[16]；宋洋、刘泉声等对节理岩体下锚杆预应力损失及锚固作用进行了研究[17-18]，张进鹏、支光辉等对预应力锚杆下注浆围岩控制技术进行了研究[19-20]。上述文献可以看出，预应力锚杆支护对围岩控制具有重要作用，但对于锚杆及辅助构件联合作用下应力场的连续性围岩控制技术缺乏深入研究。为此，以灵东矿北翼Ⅱ2-1 煤五面回风巷为工程背景，通过理论分析了锚杆预应力在围岩中的传递机理，基于预应力连续性理论通过数值模拟得出围岩控制方案。

1 工程概况

北翼五面煤巷埋深325～335 m，设计北翼五面回风巷长度3 133 m，煤层平均厚度16 m，平均倾角为2.5°。现场原位实测表明巷道帮部10 m 范围内煤体平均单轴抗压强度14.64 MPa，顶板10 m 范围内全部为Ⅱ2-1 煤，平均顶板煤体单轴抗压强度15.47 MPa。

回风巷布置在Ⅱ2-1 煤中，平均留底煤与顶煤分别为1 m 与10 m 左右，断面为5.5 m×4.5 m 的直墙小弧拱形，巷道墙高为3.0 m，采用锚网梁索联合支护，具体支护方案如下。

采用规格为φ18 mm×L2.1 m 的左旋等强螺纹钢锚杆，间排距为0.8 m×1.0 m，每根锚杆配2 支K2350 锚固剂。锚索规格为φ15.24 mm×L6.3 m 的钢绞线，间排距为1.4 m×3.0 m，每根锚索采用4 支K2350 锚固剂。采用直径分别为12 mm 和5 mm 的钢筋梁和钢筋网进行护表。锚杆和锚索的设计预紧力分别30 kN 和120 kN。

原支护段的巷道围岩变形破坏严重，顶板下沉量在325 mm 左右，两帮移近量在900 mm 左右，底鼓量在1 000 mm 左右。针对上述情况，主要进行预应力连续性围岩控制技术研究。

2 预应力场连续性研究

2.1 锚杆预应力在围岩中的传递力学模型

假设锚杆托板为边长2d 的正方形，将锚杆托板对围岩表面上的应力q 视为均布载荷。以托板1 个角点为坐标原点，可以用三维坐标表示围岩内部任意点的位置。基于弗洛林的土力学原理[21]，围岩内部任意点M（x，y，z）的垂直应力可以表示为：

式中：σz1为锚杆托板在围岩中形成的垂直应力，MPa；q 为锚杆托板对围岩表面的均布载荷，kN；d 为托板边长的一半，m；ζ、η 分别为力作用于托板表面的x 和y 坐标。

R Mindlin 模型主要用于解决集中载荷在弹性介质中传递问题[21]。取锚杆锚固段微元长度dω，对应的集中力荷载大小dp′=2πbτ（ω）dω，b 为锚杆半径，m；τ（ω）为锚固段剪应力，MPa。围岩中任意点的应力可以通过R Mindlin 模型求解。

锚杆体剪切应力在围岩中的垂直应力可表示为：

根据式（1）和式（2），锚杆预应力在围岩任意点处形成的压应力σ 可以表示为：

2.2 数值模拟

以灵东矿Ⅱ2-1 煤围岩条件为基础，基于预应力连续围岩控制技术，采用FLAC3D数值模拟软件进行数值模拟，选择最佳锚杆间排距和预紧力。岩层模型用莫尔库伦准则，模型长×宽×高=100 m×40 m×70 m。共建立834 344 个网格单元，881 722 个网格节点，通过前后初始化位移和应力清零，消除模型本身的应力和位移迭代影响。模型建立过程中用到的岩石力学参数见表1。

表1 模型力学参数Table 1 Model mechanical parameters

模拟锚杆规格为φ20×2 100 mm，将锚杆划分为21 节，其中第15～第21 节为锚固段，第1～第14 节为自由段。模拟锚杆间距为900 m 时，预紧力分别为80、100、120、150 kN 时的应力分布。不同预紧力下围岩应力分布特征如图1。

从图1 中可以看出，随着预紧力的增大，锚杆作用范围不断增大。当预紧力为80 kN 时，锚杆间预应力还未相互交错。当预紧力达到100 kN 时，锚杆间的预应力已经相互叠加，即实现了连续预应力。

图1 不同预紧力下围岩应力分布特征Fig.1 Stress distribution characteristics of surrounding rock under different preloads

钢带具有较强的护表作用，且可促进预应力扩散。为研究M5 型钢带的预应力传递效应。设计模拟φ20 ×2 100 mm 锚杆，间排距900 mm×900 mm，预紧力100 kN 下有无钢带的预应力扩散效应。M5 型钢带宽180 mm，厚度5 mm，材质与锚杆相同。有无钢带锚杆应力场分布云图如图2。

图2 有无钢带锚杆应力场分布云图Fig.2 Cloud diagrams of stress field distribution of steel strip bolts

由图2 可知，随着锚杆钢带的出现，围岩护表面积增加，锚杆预应力开始有效扩散，在围岩表面附近形成有效的连续应力场，支护应力可以三向及时流动，对连续应力场涵盖区域内的裂隙及时挤压，以此增强围岩整体结构达到围岩稳定的目的。

上述研究表明提高锚杆预紧力水平与护表构件面积是实现预应力场连续性的有效途径。依据现场操作可行性与生产经验，应将锚杆与锚索的预紧力提高至100 kN 以上，并配备护表钢带，才具备初步形成锚杆（索）连续性支护应力场。

3 预应力连续场围岩控制方案

为有效的控制北翼五面回风巷的稳定性，依据上述研究提出了高预紧力强护表“锚杆+锚索+锚杆+钢带”的强预应力连续场控制方案，强预应力连续场控制方案如图3。

图3 强预应力连续场控制方案Fig.3 Control scheme for continuous field of strong prestress

为减小围岩暴露面积，同时满足生产需要，缩小了巷道断面尺寸。现采用直墙圆弧拱断面，巷道宽度4.4 m，高4.4 m，墙高2.2 m。

顶板采用屈服强度不小于500 MPa 的φ20 mm×L2 100 mm 左旋高强螺纹钢锚杆，配K2335 和Z2360 的树脂锚固剂各1 支。锚杆间排距为900 mm×900 mm，预紧力不小于100 kN。配规格为250 mm×250 mm×10 mm 的高强拱形带调心球垫的托板，采用直径φ5 mm 钢筋网和M5 型钢带护表。顶板锚索为φ17.8 mm×L6 300 mm 的钢绞线，采用1支规格为K2335 和2 支规格为Z2360 的树脂锚固剂。锚索间排距为2 250 mm×2 700 mm，每排3 根锚索，预紧力不小于120 kN，每3 排锚杆布置1 排锚索，配规格为300 mm×300 mm×12 mm 高强度可调心拱形托板及配套锁具。

帮部锚杆采用杆体屈服强度不小于500 MPa，规格为φ20 mm×L2 100 mm 左旋高强螺纹钢锚杆。采用K2335 和Z2360 树脂锚固剂各1 支。锚杆的间排距为900 mm×900 mm，预紧力不小于100 kN，配规格为250 mm×250 mm×10 mm 的高强拱形带调心球垫的托板，配直径为φ5 mm 的钢筋网和M5型钢带护表。

帮部锚索规格为φ17.8 mm×L4 300 mm 的钢绞线，采用1 支K2335 和2 支Z2360 的树脂锚固剂。锚索间排距为1 000 mm×2 700 mm，每3 排锚杆布置1排锚索。预紧力不小于120 kN。配规格为300 mm×300 mm×12 mm 高强度可调心拱形托板及配套锁具。

4 工程应用

将上述方案在北翼五面回风巷进行实践应用，并采用十字测点法对巷道围岩变形进行监测，整理其与原支护方案的变形曲线如图4。

图4 北翼五面回风巷围岩变形曲线Fig.4 Deformation curves of surrounding rock in the five-sided air return road in the north wing

由图4 可知，原支护段顶板下沉量在325 mm左右，两帮移近量在900 mm 左右，底鼓量在1 000 mm 左右。采用新支护方案后顶板下沉量在69 mm左右，两帮移近量在98 mm 左右，底鼓量在116 mm左右，分别比原支护方案变形量降低78.8% 、89.1%和88.4%左右，且后期巷道围岩变形趋于稳定，巷道围岩变形降低幅度非常显著。由此证明增强锚杆支护应力场连续性可以有效的控制煤巷的大变形。

5 结 语

1）通过弹性理论建立了锚杆预应力在围岩中的传递力学模型，从理论方面揭示了锚杆预应力作用，为锚杆预应力设计和研究提供了理论依据。

2）在灵车矿巷道围岩地质条件下，当锚杆间排距为900 mm×900 mm 时，预紧力达到100 kN 时才能实现预应力连续。M5 型钢带可以有效扩大锚杆预应力范围。

3）在合理减小断面尺寸后，采用“锚杆+锚索+锚网+M5 型钢带”强预应力连续场控制方案，使巷道顶板、帮部、底板比原支护方案变形量分别降低78.8% 、89.1%、88.4%左右。