煤矿巷道不同部位锚索的受力规律研究

麻晓东

（山西焦煤霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿，山西 吕梁 033000）

锚索与锚杆作为支护巷道围岩的主要材料，锚索能够承受的预紧力要大于锚杆，并且锚固的岩层也更深，加固范围更广。研究人员对于不同情况下锚杆的加固机理和受力特点进行了研究[1-5]，却鲜有人研究煤矿锚索的受力情况和支护效果。为了掌握巷道顶板中锚索的受力特点和支护效果，以店坪煤矿二采区9#煤巷道为研究背景，通过数值模拟的方式分析巷道顶板的变形特点[6-7]，研究各长度锚索的受力情况和支护效果，为相关工程提供指导和借鉴。

1 概况

二采区9#煤层位于太原组中部，含有1～4 层砂质泥岩夹矸，夹矸总厚度为0.2～0.35 m，平均厚度0.25 m。工作面范围内煤层厚度较稳定，厚度为2.4～3.2 m，均厚3.0 m，回采巷道均沿煤层布置，正巷从开口到420 m 煤层厚度稳定为3.0 m，420 m至670 m 煤层厚度从3.0 m 逐渐变薄为2.7 m，之后到切巷煤层厚度逐渐变厚稳定为3.0 m。

2 巷道顶板受力分析

2.1 数值模型的建立

通过构建数值模型的方式来研究顶板各部位锚索的实际受力规律。40 m×1 m×25 m 为数值模型的具体尺寸。利用设置interface 单元的方式来对巷道顶板2.5 m 范围的层理进行模拟，与现场顶板条件相结合，设置0.2 m、0.3 m 和0.4 m 为分层厚度。在巷道顶板布设6 根锚索，呈一排布设，1 m 为其间距，锚索长和锚固长度分别为7.5 m 和1.5 m。因为锚索在巷道顶板上是对称布置的，位置对称的锚索受力情况基本一致，所以只分析距离巷道一边较近的3 根锚索的受力情况。3 根锚索从巷道肩角开始分别编为1 号、2 号和3 号。

2.2 顶板锚索实际受力特点

在数值分析模型的建立过程中，设置的工况为有锚索预紧力和无支护情况，其中锚索预紧力有50 kN、100 kN、150 kN 三种情况，以此研究锚索受力和巷道顶板变形的变化特点。

对于巷道顶板的变形情况，根据数值模型得出在不同预紧力和无支护条件下顶板的竖向下沉变形情况，见图1。从图1 能够看出，整体上顶板变形主要为挠曲下沉，顶板竖向位移和中部的距离越短，下沉值随之增大，距离两帮越近，下沉值则越低。顶板无支护时表现出比较明显的挠曲变形和离层现象，625 mm 为下沉量最大值；在设置了带有预紧力的锚索后，能够看出顶板下沉量明显减小，离层现象消失；当提高锚索预紧力时，顶板变形值不断降低，围岩的控制效果不断提高。

图1 巷道顶板在各锚索预紧力下的竖向变形

2.3 锚索的轴向拉力

根据模拟结果得到三种预紧力下锚索的轴向受力情况，见图2。从图2 中能够看出，在自由段时锚索的轴向拉力基本一致，在锚固段时轴向拉力随着锚固长度的提高而降低。当预紧力一致时，锚索在顶板所处的位置不同，其轴向受力情况也有所不同，与顶板中部距离越短，所受拉力就越大。提高锚索预紧力后，各部位锚索的轴向拉力之间的差值慢慢缩小，特别是对和肩角距离较近的两根锚索有更加明显的影响，受力逐渐均匀。与巷道顶板变形特点相结合能够得到，锚索因位置不同而出现轴向拉力的差异，主要是由顶板挠曲变形程度不同造成的。距离中部越近，顶板的下沉值就越高，其轴向拉力也就越大；距离两帮越近，下沉值就越低，锚索受到的轴向拉力也就越小。提高锚索预紧力后，有效控制住了顶板的下沉趋势，减小了不同部位下沉量的差值。

图2 顶板锚索轴向受力特点

2.4 锚索的横向剪力

如图3 所示为各部位锚索的横向受力情况。从图3 中能够看出，锚索的剪切力在0～2.5 m 范围内有较大的波动，受力明显，大部分剪力峰值处于0.5～2.0 m 深度范围内；超过2.5 m 时，横向剪力基本不再会对锚索产生大的影响。当预紧力相同时，顶板锚索的剪力随其和巷道帮部距离的减小而增大，随着和中部距离的减小而降低，其剪力分布特点恰好和轴力相反。锚索预紧力提高后，各位置锚索剪力间的峰值差距慢慢缩小，预紧力对巷道肩角部位的两根锚索影响较大，受力逐渐均匀。与巷道变形特点相综合分析，能够得出顶板在下沉时同时出现横向的层间剪切错动与竖直方向上的挠曲变形，距离巷道帮部越近，层间错动就越明显，锚索受到的剪力就越大；尽管挠曲变形较大值出现在中间区域，但此区域并没有明显的层间剪切错动。锚索预紧力提高后，总体来看顶板位移值缩小，距离巷道顶板越近剪切错动越小。由此能够得出，在下位顶板岩层中锚索的受力情况比较复杂，锚索会同时受到横向层间剪切错动和轴向拉伸的作用，说明横向剪切荷载和轴向拉伸荷载同时作用于锚索上，这也是顶板锚索大多在顶板2.0 m 范围内出现破坏的主要原因。顶板锚索距离中帮部越近，剪切荷载就越明显，距离中部越近，拉伸荷载的值就越大；增大锚索的预紧力能够对顶板变形起到很好的抑制作用，提高顶板的稳定性，削弱锚索所受的负面力，避免锚索出现破损和断裂，以此达到提升支护体系整体稳定性的目的。

图3 顶板锚索横向剪力受力特点

2.5 不同长度锚索的支护效果

为了获取锚索的应力分布情况，揭示各长度锚索对围岩的支护效果，在各锚索自由段中间位置布设了一条测线来对各部位压应力进行提取。如图4为提取所得的锚索应力分布，其中测线平行于顶板。从图4 能够得出，锚索伸入围岩中的锚固段形成了拉应力，为了保证锚索的支护能力，一定要把锚索锚固进强度较高的坚硬岩层中。当增大锚索长度时，顶板上形成的有效压力区的宽度和高度也都得到了提高，这表示围岩受锚索加固的范围逐渐增大。锚索长度在4 m 以下时，提高锚索的长度能够削弱锚索自由段中间位置围岩压应力的叠加幅度，表示锚索对围岩的支护强度随着锚索长度的增大而减小；当锚索长度为3 m 时，单根锚索就能够形成非常大的压应力，不过因为锚索长度较短，在群体支护时横向范围内压应力并没有很明显的叠加效果，压力的分布呈现为波浪形。由上述分析可以得到，当预紧力一定时，围岩的主动支护区域会随着锚索长度的增大而增大，但却在一定程度上削弱了中间部位围岩的主动支护能力，此时短锚索的支护能力要优于长锚索。但是，锚索较短会对群体支护的效果造成一定负面影响，因此在巷道顶板锚索设计过程中要注意锚索长度不能太长，也不宜过短。

图4 自由段中部各长度锚索的压力分布情况

3 结论

本研究以店坪煤矿二采区9#煤为研究背景，通过数值模拟的方式分析巷道顶板的变形特点，研究各长度锚索的受力情况和支护效果，得出以下结论：

1）煤层巷道整体上顶板变形主要为挠曲下沉，顶板竖向位移和中部的距离越短，下沉值随之增大，距离两帮越近，下沉值则越低。顶板无支护时表现出比较明显的挠曲变形和离层现象；预紧力锚索能够明显减小顶板的下沉量，消除离层现象；当提高锚索预紧力时，顶板变形值不断降低，围岩的控制效果不断提高。

2）在自由段时锚索的轴向拉力基本一致，在锚固段时轴向拉力随着锚固长度的提高而降低；增大锚索预紧力后，锚索之间轴向拉力的差值慢慢减小，受力逐渐均匀；距离中部越近，顶板的下沉值就越高，其轴向拉力也就越大；距离两帮越近，下沉值就越低，锚索受到的轴向拉力也就越小。

3）在下位顶板岩层中锚索的受力情况比较复杂，锚索会同时受到横向层间剪切错动和轴向拉伸的作用，说明横向剪切荷载和轴向拉伸荷载同时作用于锚索上；当增大锚索长度时，顶板上形成的有效压力区的宽度和高度也都得到了提高，但短锚索对中间部位围岩的支护能力要高于长锚索。