B050405 叠加应力支护理论在巷道支护中的应用.doc

叠加应力支护理论在巷道支护中的应用宫显斌 张奉强 王海龙（山东泰山能源有限责任公司 翟镇煤矿）摘 要 介绍山东泰山能源有限责任公司翟镇煤矿通过研究叠加应力支护理论和顶板破坏机理，提出一种通过不同支护材料、形式实现应力叠加累积，以解决复合顶板的支护难题，并通过实际应用数据说明了叠加支护的优越性。叠加支护能充分利用支护材料的特性、作用机理及围岩应力特征等实现对巷道围岩的有效控制，形成高强度、高弹性的稳定承载体，尤其是针对复合顶板、动压等巷道，提高了支护效果，降低了巷道复修率。关键词 应力分析 叠加应力支护 巷道支护为了有效控制巷道围岩变形，支护质量成为各煤矿企业、科研院所研究的重要课题。充分了解巷道围岩变形规律是有效提高支护效果、控制巷道变形的前提。对掘进巷道锚杆支护原理及支护工艺进行分析，并根据现阶段实际进行了支护工艺改进，对掘进巷道尤其是稳定性、整体性较差的顶板采取叠加支护方式进行支护，有效提高了支护效果，减少了巷道复修率，保证了正常的生产。 1 掘进巷道围岩应力分析在煤岩层中掘进巷道，开挖后围岩的原始应力平衡遭到破坏，应力经岩体调整后达到二次应力状态。二次应力主要呈为弹、塑性分布，具体取决于岩石的强度。现就二次应力的弹塑性分布进行分析。由于作用于岩体的初始应力较大或岩体强度较低，巷道开挖后周围的部分岩体应力超出了岩体的屈服强度，使岩体塑性变形。此时必须加强支护，否则巷道围岩会失稳，造成巷道的破坏。在巷道开掘后，由于巷道内暴露位置的不同会出现应力集中现象，主要表现在巷道两帮岩梁支撑点处及岩梁断裂后与巷道的点接触处。根据岩体力学可以分析得出理想状态下巷道围岩的应力状态（见图1）。具体受力如图2所示。图1 开掘巷道应力集中分析图图2 矩形巷道开掘后应力分布图 巷道开挖后有如下特征： 巷道开挖前，岩层内质点各受个方向原应力作用处于一种相对平衡状态。巷道开挖后围岩受力，围岩不仅传递外部介质载荷，同时也承受外部介质作用，即对外部围岩施加一个反作用力，以阻止巷道围岩的运动，对巷道空间具有的保护作用； 巷道开掘后，围岩质点受力由全受力改为三向受力，垂直方向的约束被解除，岩层受力由双轴应力变为单轴压应力。由于岩石的单轴抗压强度低，两帮发生侧向变形，顶板岩石因自身重力及上部岩层载荷影响产生塑性弯曲变形。岩层受压变形的结果产生大侧向（垂直方向）的变形和碎胀扩容，引起岩层弯曲下沉。岩层上部破坏区越大，顶板离层、弯曲变形越严重； 顶板有上分层时由于围岩强度低、整体性差，遭破坏后其破坏区多发生小区段剪切破坏，破坏范围呈矩形或梯形，从而使两帮岩体承载更为集中，易发生片帮事故； 由于上覆弱岩层的影响，一旦顶板中岩层产生破坏，破坏松动区迅速扩展。因此，顶板逐渐下沉破坏的过程短，对两帮冲击较大，容易发生突发性冒顶或片帮事故。巷道开掘后如何维护好巷道的应力平衡，有效控制巷道的变形，是巷道支护理论研究的主要内容。2 叠加支护基本原理掘进巷道支护形式目前主要有钢棚、木棚、锚杆（含锚喷、锚带网等）、砌碹等，各种支护形式作用机理不同，与围岩发生的应力关系也不尽相同。在掘进巷道时由于巷道功用、服务年限、围岩稳定性及性质等不同，常会发生单一的支护形式很难满足正常的支护要求。所以在具体施工中常会利用不同的支护形式组合来与围岩发生多方位、多层次的应力关系，形成应力叠加以起到有效控制巷道变形的目的。3 叠加支护应力分析3.1 时间应力叠加（分阶段成巷）根据普氏理论，巷道开挖后形成自然平衡拱，平衡拱内的围岩应力会发生变化并达到二次应力状态。巷道的尺寸直接影响到拱的大小，即影响到开掘巷道对围岩的破坏范围大小，巷道断面越小，对围岩破坏越少，越有利于巷道的维护。一次掘进成巷时巷道跨度大，对围岩破坏范围大。分阶段施工就是通过先期小断面掘进支护形成小的平衡拱，开宽时利用二次支护对平衡拱进行加固，减小围岩破坏范围，同时利用一次成拱的内部应力与一次支护拱应力的叠加更好地使顶板形成整体。3.2 空间层次应力叠加在复合顶板、软岩等特殊的围岩条件下，由于单纯的锚带网支护很难锚入老顶，与老顶形成组合梁，起到悬吊作用，杆体与围岩形不成一个整体，极易发生漏顶、冒顶事故。采用刚性支护时由于钢棚被动承载，巷道破坏后彩才对围岩起作用，不利于控制巷道变形，如顶板压力大，单独的刚性支护很难有效控制巷道变形，极易发生倒棚、漏顶事故。具体如图：图3 单一支护形式巷道支护失效示意图单一的锚杆支护无法有效阻止围岩的变形，锚杆为了便于安装和节省材料，长度有一定限制，那么我们采用锚、带、网支护，只将锚杆的延展性、抗拉强度和抗剪强度高的优越性发挥出来，即通过杆体实现下部巷道两帮及顶板的扩容，只对巷道围岩小范围施加支护力，形成小范围的岩层整体，这里的锚、带、网对巷道主要起到了扩容加固作用，形成自身强度较高的次生承载圈。为有效控制顶板，同时减少锚、带、网支护强度不足造成的顶板下沉现象，支护后13天，待原岩应力释放后立即采取锚索加强支护，形成一次支护承载圈。这充分利用锚索对岩体挤压加固作用，使岩体相互补强，而且与锚杆所加固的承载体相互补强。锚索有很好的延展性和抗拉强度，使所锚固的岩体在巷道顶板中部形成一条强度大、塑性强、结构稳定的承载体。锚索锚固点处在松动圈之外，增加了顶板承载体的稳定性。锚索布置在两排锚杆之间，增加了支护的密度，进一步提高了承载体的强度、塑性和抗弯曲破坏能力，提高了承载体的自稳能力。由于巷道断面大且顶板为复合顶板，锚索有时也会因巷道断面大、复合顶板厚度大破碎等原因造成支护效果降低甚至失效、为了进一步提高支护效果、有效控制巷道变形，我们在原支护的基础上支设点柱、钢棚等，即利用其作用于顶板的垂直或斜交的应力来有效控制巷道的变形，这充分利用了刚性支护的强度。这样就可以通过锚杆、锚索主动支护作用加上刚性支护作用，形成一个多层次、多方位空间支撑拱，以达到有效控制巷道变形的目的。图4 巷道应力叠加示意图4 叠加支护应用实例现在就一复合顶板大断面矩形复合顶板巷道（宽5.2m、高2.4m，复合顶板厚度为34m）的受力分析来说明叠加支护在巷道支护中的具体应用。由于按照设计巷道断面较大且顶板为复合顶板，大断面一次成巷极易发生冒顶、漏顶事故，不利于巷道支护，我们采取先期施工小断面，后期对巷道开宽的方式施工。具体施工及支护见图5。图5 巷道支护断面示意图顶板锚杆采用直径20mm、长2500mm的等强全螺纹钢锚杆，杆尾螺纹M20。锚杆间排距1600500（mm），呈五花布置。用中速和慢速树脂锚固剂卷各2卷全长锚固。钢筋网用直径12mm的钢筋制成，长宽为8003400（mm），网目100100（mm）。11#工字钢作金属托梁，以废旧工字钢抽筋加工的金属托盘宽长为110200（mm）。最后用相匹配的螺帽上紧。锚索长6.5m，锚固长度1.5m，配不低于0.8m的12槽钢托梁顺巷五花布置，间距2000mm。第一排锚索与巷道中线间距900mm，与铅垂线夹角10向帮方向倾斜安设两根，第二排锚索沿巷道中线垂直顶板安设一根。考虑到两帮受动压影响比较严重，为加强巷道围岩稳定性，两帮选用锚杆、菱形网、钢筋梁支护。锚杆采用直径18mm、长2000mm的全螺纹钢等强锚杆，杆尾螺纹M18，公称直径为180.1mm，屈服载荷不小于87kN，抗拉载荷不小于126kN，延伸率不小于15%，螺距为120.2mm。锚杆间排距800800（mm）。锚杆用两卷树脂锚固剂卷加长锚固。钢筋梁用直径12mm钢筋制成。在巷道内隔排支设木点柱或摩擦点柱，要求上接实顶、下见硬底，柱窝不小于200cm，软底穿鞋。5 结 论叠加支护原理比较简单，就是通过在时间上和空间上合理有效地利用围岩及支护体的强度，实现时间和空间上支护应力的叠加，从而起到有效控制巷道变形的目的。它在现实中已经得到广泛应用，如现阶段使用的锚、网、喷支护就是一个叠加支护的最简单的例子。随着煤矿井下生产条件的更加复杂化，该理论将会进一步得到丰富和发展。参