动压巷道组合锚索支护应用分析

刘瑞军

（山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037100）

1 202 运输顺槽概况

山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业有限公司202 运输顺槽位于井田二采区，巷道东面为201 综采工作面采空区，南面为22 号煤层二采区回风大巷，北面为井田边界，西面为回采区域，如图1 所示。

图1 202 运输顺槽机头硐室段原支护示意图（单位：mm）

202 运输顺槽设计长度为1850 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.0 m×3.2 m，巷道掘进煤层为22号层，煤层平均厚度11.14 m，含4～6 层夹矸。煤层大致走向西南，倾向西北，呈一单斜构造，倾角较小，平均-3°。

202 运输顺槽机头硐室段设计长度为240 m，巷道设计断面规格为宽×高=5.5 m×3.7 m，由于202机头硐室段施工断面积大，同时202 运输顺槽与201工作面采空区间距为15 m，受邻近采空区及采动影响巷道掘进期间围岩破碎严重，而原巷道顶板主要采用锚索、W 型钢带等支护，锚索布置间距为0.8 m、长度为8.3 m、直径为21.8 mm，同时对巷道帮部与顶板处施工角锚索，角锚索长度为5.0 m、直径为21.8 mm，如图1 所示。所以顶板采用锚索加强支护，但是通过实际应用效果来看，锚索支护效果差，顶板下沉严重[1-2]。

2 组合锚索“应力柱”效应分析

为了提高动压区顶板稳定性，决定对202 运输顺槽机头硐室段顶板支护进行优化，采用组合锚索支护。

2.1 组合锚索支护特点

1）目前煤矿采用的组合锚索主要由组合托盘和锚索组成，每组组合锚索由3～5 根单锚索组成；202运输顺槽机头硐室段动压区顶板采用的组合锚索由5 根锚索组成，其中长度分别为1 根10.3 m、2 根8.3 m以及2 根6.3 m，通过长度的锚索可将不同层位的围岩进行锚固。

2）传统的单锚索支护属于点性支柱，预应力相对分散，而组合锚索预应力相对集中，属于面性支护，在支护过程中具有足够的预应力可在松动围岩内形成“应力柱”，预应力支护面积大，支护效果好。

3）组合锚索支护截面积大，在支护过程中能够对蠕动变形围岩起到有效的控制作用，与单锚索支护相比，能够杜绝单锚索支护时因应力疲劳现象，造成锚索支护体抗载强度降低现象[3]。

2.2 “应力柱”效应分析

2.2.1 应力场模拟分析

在顶板岩性、厚度以及锚索直径、长度等参数不变的情况下，在改变锚索数量的情况现象分别建立单锚索支护和组合锚索支护应力模拟图，如图2 所示；利用FLAC3D 数值模拟软件建模，模型长度及宽度均为50 m，模型共计分为25000 个单元格，并对模型底部建立横向和竖向的位移量，从而建立竖直模型图。

图2 单锚索与组合锚索应力分布图

从图2 可见，单锚索支护时产生的应力场相对分散，形成有效“应力柱”区域少；而采用组合锚索支护时，应力相对集中，形成的“应力柱”均匀，组合锚索支护后对蠕动变形围岩产生压缩应力区，对围岩大变形能够起到更好的空压作用。

2.2.2 动载扰动应力分析

1）在其他参数不变的情况下，分别对单锚索支护应力场和组合锚索支护应力场施加动载，分析单锚索支护和组合锚索支护巷道围岩蠕动变形范围及围岩变形量，通过现场监测围岩变形量如表1 所示。

表1 巷道围岩变形监测

2）通过对比分析巷道采用单锚索支护时围岩蠕动变形区明显大于组合锚索支护时围岩内部蠕动变形圈，同时根据表1 可见，采用组合锚索支护时巷道顶板下沉量、两帮移进量以及底鼓量明显小于单锚索支护，由此可见，采用组合锚索支护能够对蠕动变形围岩起到更好的控制效果[4-5]。

3 实际应用效果分析

为了准确掌握组合锚索现场实际应用效果，在202 运输顺槽机头硐室段20～40 m 以及40～60 m 处各设置一个测点（1 号、2 号）；其中1 号测点采用原单锚索支护，2 号测点采用组合锚索支护，通过现场监测结果如图3 所示。

图3 动压区单锚索与组合锚索支护时围岩变形曲线

根据图3 发现，采用单锚索支护后动压区巷道围岩变形量相对较大，实测顶底板最大移近量590 mm，而两帮最大移近量达1150 mm；而采取组合锚索支护后顶底板最大移近量为140 mm，而两帮最大移近量为230 mm，由此可见采用组合锚索支护后对动压区围岩变形控制效果更佳，组合锚索支护过程中形成的“应力柱”能够削弱围岩内部动压破坏作用，说明组合锚索锚索支护强度高、失效率低；同时根据围岩变化曲线发现，无论采用单锚索支护还是组合锚索支护，在支护后前40 d 范围内围岩成急剧变形现象，主要原因是围岩存松动圈，在持续动压影响松动圈范围扩大，松动圈范围扩大过程中锚索支护由原来的主动支护注浆变为被动支护，最终锚索与变形围岩实现耦合支护作用[6]。

4 结论

1）在静载荷作用下通过应力场模拟分析发现，采用单锚索支护时形成的应力分散，“应力柱”效应不明显，而采用组合锚索支护时应力相对集中，在围岩深部一定范围内形成连续稳定的“应力柱”，同时在组合锚索承载件附近产生的预应力也相对集中，能够起到更好的支护作用。

2）在动载荷作用下组合锚索支护时能够对围岩起到预期支护作用，对围岩控制效果好，围岩变形量明显小于单锚索支护，所以组合锚索支护更有利于动压区变形围岩支护。

3）通过现场实际应用效果表明，采用组合锚索支护后大大提高了顶板稳定性，解决了传统单锚索支护时受动压应用，锚索破断现象严重、支护失效率高等技术难题，避免了巷道二次支护施工，降低了动压区巷道支护成本费用以及劳动作业强度。