鄭海建 許瑞強(qiáng)

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272050）

隨著礦井開采水平的延伸，大埋深、高地應(yīng)力礦井面臨越來(lái)越多的支護(hù)問(wèn)題[1]。因錨桿、錨索等支護(hù)材料失效，引發(fā)多起頂板冒落傷人事故，因此深井巷道對(duì)支護(hù)技術(shù)、材料的要求更加嚴(yán)格。唐口煤業(yè)公司開采水平為-990 m 水平，主采3（3上）煤層，其頂?shù)装寰鶠槟鄮r，具有埋藏深、地壓大、圍巖軟等特點(diǎn)。大斷面回采巷道變形破壞嚴(yán)重，突出表現(xiàn)為：頂板下沉、底板鼓起、兩幫收斂，斷面收縮率可達(dá)50%以上，嚴(yán)重影響了工作面的正?；夭?。

高強(qiáng)錨注與全錨支護(hù)是解決深部復(fù)雜巷道支護(hù)的重要技術(shù)手段，大量專家、學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究與試驗(yàn)[2，3]。測(cè)力錨桿實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)反饋：全長(zhǎng)錨固錨桿軸力曲線成拱形分布，即兩端軸力小，中間軸力大，其中最大軸力以及分布形式與錨桿預(yù)緊力大小及圍巖條件相關(guān)。全長(zhǎng)錨固錨桿軸向承載特征與端錨不同，同樣預(yù)應(yīng)力錨索全長(zhǎng)錨固承載特征也不同于端錨錨索。本文以預(yù)應(yīng)力錨索全長(zhǎng)錨固支護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)分析預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固錨索受力狀態(tài)[4]。理論分析認(rèn)為錨索全長(zhǎng)錨固提高支護(hù)系統(tǒng)剛性[4]：離層弱面的軸向附加應(yīng)力σZ增大和弱面的抗剪性能提高，但是沒(méi)有解決錨索軸向承載特征，其軸力疊加性與分段承載性也缺乏深刻認(rèn)識(shí)。

1 全長(zhǎng)錨固載荷特征分析

根據(jù)新奧法理論：巷道掘進(jìn)開挖后，應(yīng)力重新分布，圍巖內(nèi)彈性應(yīng)變能隨著圍巖的變形迅速釋放。煤系地層在沉積成巖與后期構(gòu)造影響下，巖層內(nèi)存在大量的層面、節(jié)理等弱面，使圍巖的力學(xué)參數(shù)降低。支護(hù)初期巷道的變形主要由層面、裂隙等弱面的非連續(xù)變形組成，即裂隙弱面擴(kuò)容變形，圍巖整體性位移；后期失穩(wěn)多數(shù)因巷道持續(xù)的破壞性變形，即巖塊裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展、破壞。巷道支護(hù)的目的是阻止圍巖的持續(xù)變形、破壞，方法是：（1）通過(guò)提高弱面的強(qiáng)度來(lái)提升圍巖體的整體強(qiáng)度；（2）施加外壓，提高破壞巖體的殘余強(qiáng)度。

1.1 軸向承載特征分析

針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索全長(zhǎng)錨固，錨索軸向承載主要由兩部分組成：（1）錨索施加的預(yù)應(yīng)力p0；（2）全錨后因巷道圍巖變形產(chǎn)生的附加軸力▽p。現(xiàn)假定弱面與錨索垂直，在不考慮重力因素影響，弱面任一側(cè)都可以等效成長(zhǎng)度為L(zhǎng)的錨索受集中拉力▽p。依據(jù)短錨固拉拔試驗(yàn)[3，5]：曲線a 代表拉拔力低時(shí)錨固段未破壞時(shí)的軸力曲線，曲線b 代表拉力大時(shí)錨固段發(fā)生破壞的軸力曲線，見下圖1。曲線a 說(shuō)明：拉拔試驗(yàn)時(shí)拉拔力較小，錨固劑未脫黏，剪應(yīng)力集中分布在錨固近端；曲線b 說(shuō)明：拉拔力增大，近端剪應(yīng)力大于錨固劑黏結(jié)強(qiáng)度，近端桿體存在局部解耦，剪應(yīng)力向遠(yuǎn)端重新分布。

圖1 短錨固拉拔桿體軸力曲線

依據(jù)物理經(jīng)典力學(xué)的疊加原理，預(yù)應(yīng)力錨索全長(zhǎng)錨固軸向承載特征存在以下兩種情況[5]：

（1）如果圍巖體存在多個(gè)弱面，某一位置處每個(gè)弱面都產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的附加應(yīng)力▽p：則P=p0+▽p1+▽p2+……，即在裂隙面影響下，預(yù)應(yīng)力與附加軸力是疊加的。

（2）如果圍巖體存在多個(gè)弱面，某一位置處某弱面產(chǎn)生附加應(yīng)力▽p2=0：則P=p0+▽p1，即不同弱面產(chǎn)生的附加軸力是分散的。

1.2 抗剪承載性能

對(duì)于支護(hù)可靠性與抗剪性能可參考研究成果[6]，全錨階段節(jié)理弱面抗剪能力F剪可用如下公式表示：

式中：F剪為全錨的抗剪性能，MPa；a、b分別表示錨索間排距，m；σc表示圍巖弱面抗剪強(qiáng)度，MPa；σz表示圍巖弱面的法向應(yīng)力，假設(shè)僅有錨索提供，MPa；f1表示圍巖弱面的靜摩擦力系數(shù)；σ1、A1表示錨固劑的抗剪強(qiáng)度與截面積，MPa、m2。

1.3 支護(hù)效能

預(yù)應(yīng)力錨索全長(zhǎng)錨固支護(hù)效能體現(xiàn)在弱面圍巖軸向附加應(yīng)力σz與橫向弱面抗剪性能F剪的大小，最終反映到錨索載荷承載特征上，即錨索給予附近裂隙圍巖支護(hù)強(qiáng)度高，軸力相應(yīng)增大。其全長(zhǎng)錨固的分段受力、分段支護(hù)反映到錨索軸力的高低起伏上，這也是全長(zhǎng)錨固提高支護(hù)系統(tǒng)剛性的核心。

2 全長(zhǎng)錨固數(shù)值解析

2.1 地質(zhì)條件

唐口煤業(yè)3（3上）可采煤層3（3上）厚度4.0 m，上覆巖層為2.0 m 泥巖、2.0 m 砂質(zhì)泥巖、0.5 m 泥巖、3.5 m 的砂質(zhì)泥巖、細(xì)中砂巖，底板為4.0 m 泥巖、10.0 m 砂質(zhì)泥巖，下覆20.0 m 細(xì)砂巖。

依據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，最大水平主應(yīng)力27.63 MPa，方位角343.2°，傾角9.5°；中間垂直主應(yīng)力18.68 MPa，方位角221.0°，傾角71.3°；最小水平主應(yīng)力17.35 MPa，方位角72.3°，傾角4.5°。

支護(hù)：錨桿樹脂全錨，間排距800 mm×1000 mm；錨索注漿全錨，間排距1200 mm×1000 mm，“3-1-3”布置。

巖層為近水平巖層，在頂板2.0 m 與薄煤層界面存在離層弱面，巷道為矩形斷面，寬度5.0 m，高度3.0 m。

2.2 數(shù)值建模

地層依據(jù)地質(zhì)條件建立，分別在頂板2.0 m、4.0 m 設(shè)置兩個(gè)離層面（inter1），見圖2。

圖2 FLAC3D 建模模型

應(yīng)力設(shè)置：巷道與最大主應(yīng)力夾角70°，依據(jù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式計(jì)算得到。巷道水平應(yīng)力sxx 值-26.46 MPa、syy 值-17.19 MPa，垂直應(yīng)力szz-15.85 MPa。

為模擬煤巖體的力學(xué)行為，本次數(shù)值模擬煤巖體采用應(yīng)變軟化屈服準(zhǔn)則。摩爾庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則如下：

式中：σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力；c，φ分別是黏聚力和摩擦角。當(dāng)fs＞0 時(shí)，材料將發(fā)生破壞。

2.3 數(shù)值計(jì)算

2.3.1 開挖與支護(hù)

下圖3 為數(shù)值計(jì)算開挖與支護(hù)圖。錨桿采用rockbolt 模型，桿體延伸率高（≥15%）；錨索采用cable 模型，可施加預(yù)緊力10 t。

圖3 巷道錨網(wǎng)支護(hù)圖

2.3.2 錨桿/錨索軸力監(jiān)測(cè)曲線

下圖4 為頂板錨桿/索軸力監(jiān)測(cè)曲線，由監(jiān)測(cè)曲線分析：

圖4 頂板錨桿/錨索軸力監(jiān)測(cè)曲線

（1）錨桿托盤端軸力60 kN，深部1.4 m 處軸力最大至120 kN，深部2.4 m 錨固區(qū)軸力30 kN；

（2）錨索托盤端軸力135 kN，深部1.7 m 處軸力至第一峰值340 kN，深部4.0～4.5 m 處軸力至第二峰值200 kN，錨索端錨區(qū)軸力100 kN；

（3）節(jié)理弱面位于淺部2.0 m 與深部4.0 m，錨索峰值恰好位于此區(qū)間。

2.4 數(shù)值解析

（1）錨索淺部軸力135 kN，樹脂錨固段5.0～6.0 m 軸力從120 kN 降至10 kN，說(shuō)明錨索預(yù)應(yīng)力將淺部卸荷轉(zhuǎn)移到深部；

（2）錨索淺部峰值區(qū)，最大軸力340 kN，位于弱面附近，兩側(cè)谷值在130 kN（預(yù)應(yīng)力100 kN）左右，對(duì)弱面產(chǎn)生附加軸力210 kN，峰值軸力是弱面1 附加▽p1與預(yù)應(yīng)力p0的疊加；

（3）淺部2.0 m 軸力峰值與4.0～4.5 m 軸力峰值不相關(guān)，中間谷值低于托盤段135 kN，兩者軸力沒(méi)有疊加，體現(xiàn)錨索在不相關(guān)的弱面產(chǎn)生的軸力分散承載；

（4）錨索托盤軸力135 kN 遠(yuǎn)低于第一峰值340 kN，全長(zhǎng)錨固減小了因托盤應(yīng)力集中造成淺部圍巖擠壓破碎；

（5）錨桿軸力成拱形，全錨錨索整體呈拱形，因?yàn)榇嬖陬A(yù)應(yīng)力與節(jié)理弱面，呈波動(dòng)狀態(tài)，在重力g 影響下，峰值位置與弱面存在微小偏移。

3 結(jié)論

（1）錨索局部軸力呈拱形，整體趨勢(shì)也呈拱形，既對(duì)弱面有效控制，又將淺部卸荷轉(zhuǎn)移到深部；

（2）錨索軸力呈現(xiàn)疊加性與分散性，預(yù)應(yīng)力與弱面產(chǎn)生的軸力相互疊加，多個(gè)弱面產(chǎn)生的軸力分散承載；

（3）托盤端不再產(chǎn)生高應(yīng)力集中區(qū)，可有效減小托盤對(duì)淺部圍巖的擠壓破壞；

（4）預(yù)應(yīng)力錨索全長(zhǎng)錨固提高了支護(hù)系統(tǒng)的剛性，錨索增阻快，支護(hù)及時(shí)高效。