煤巷中锚杆、锚索支护作用机理设计专题报告

煤巷中锚杆、锚索支护作用机理摘要:在分析目前锚杆、锚索联合支护条件下施加预紧力时存在问题的基础上,提出了锚杆、锚索联合支护的预应力协调问题,并采用有限差分数值计算软件FLAC3D对锚杆(索)施加不同组合预紧力时围岩产生的应力场分布特征与规律进行了模拟分析。结果表明:预应力锚杆、锚索联合支护可以在巷道围岩锚固结构中形成相互连接、相互叠加的有效压应力区,随着锚杆(索)预应力的增加,压应力区的值和范围也相应地增加;锚杆端部的拉应力值和范围随锚杆预紧力矩的增加而增大,这种情况可以通过施加锚索预紧力进行平衡,锚杆预紧力矩越大,平衡其端部拉应力区所需的锚索预紧力越大;结合工程施工现状,合理的锚杆预紧力矩选择在300400 Nm,锚索预紧力为200300 kN比较合理。井下试验表明,合理预应力组合的锚杆锚索联合支护系统可以有效控制围岩变形。关键词:煤巷;锚杆、锚索;协调作用;应力场0引言我国自20世纪80年代引进煤巷锚杆支护技术以来,经过消化、吸收,目前煤巷锚杆支护技术已经得到了大面积的推广应用,特别是1996年我国煤矿成功研制了小孔径树脂锚固预应力锚索之后,锚杆- 锚索联合支护技术在煤巷中得到了极大地推广应用,提高了巷道支护的安全性和可靠性,有效解决了深部及复杂困难巷道的支护难题。因此,进行预应力锚杆-锚索联合支护对巷道围岩加固作用的研究具有很重要的意义。1锚杆(索)预应力的重要作用预应力是锚杆支护的重要参数,无预应力锚杆支护如同砌碹支护、架棚支护等属于被动支护,而预应力锚杆支护属于主动支护。锚杆(索)预应力的重要性,在岩土工程中已经得到广泛的认可与应用,在隧道、边坡、基坑加固和水利水电等工程中,预应力锚杆(索)应用都很普遍 1 - 2 。如三峡永久船闸边坡锚索的预拉力值高达3 000 kN 3 ;混凝土重力坝闸墩加固采用拉力值为9801 900 kN 预应力锚索 4 - 5 。基坑加固的数值模拟研究表明,提高锚索的预应力,可有效减少塑性区 6 。目前, 美国煤矿巷道的锚杆预紧力一般为100 kN,可以达到锚杆杆体屈服载荷的50% 75% ,并且美国早在20世纪70年代末就首次将涨壳式头与树脂锚固剂联合使用,并采用减摩塑料垫圈实现了锚杆的高预应力。高预应力锚杆显著提高了巷道顶板的稳定性,大大降低了顶板冒落的事故。美国矿山支护效果显著的原因,很大程度上是其对锚杆预应力机理的深刻认识 7 。我国学者对锚杆(索)预应力的作用也有一定的研究。文献 8 的研究结果表明,当锚杆预应力达到6070 kN时,就可以有效控制巷道顶板下沉;文献 9 提出基于水平地应力的“刚性梁”结构,认为当锚杆预应力达到一定程度时,可使锚杆长度范围内和长度以上的顶板离层消除;文献 10 也对锚杆预应力的作用进行了一定的研究。在小孔径预应力锚索应用研究方面,文献 11 - 13 进行了一系列的研究和应用,取得了良好的效果,锚索可以施加较大的预应力,抑制围岩的离层、滑动等有害变形。总体来说,结合现场应用情况,我国煤矿对锚杆(索)预应力作用的认识不足,遇到难支护巷道,往往通过增加锚杆(索)的支护密度来提高支护效果,导致锚杆支护密度过大,支护系统的作用不能充分发挥,而且严重影响巷道的施工速度。针对上述问题,煤炭科学研究总院开采设计分院巷道所立足于实践,在锚杆、锚索预应力支护系统的作用方面从理论、技术和实践方面做了大量的研究 14 - 18 。文献 15 采用数值模拟计算的方法详细分析了不同预应力下锚杆、锚索产生的应力场的分布特征,以及钢带对锚杆预应力扩散的作用;文献 16 详细分析了锚索预应力的分布特征及其传力机制;文献 19 提出了支护应力场的概念,分析了锚杆、单体支柱等主动支护方式的预应力场及构件内应力场的特征,并对原岩应力场、采动应力场和支护应力场的相互作用进行了说明。大量的井下试验也表明 13, 17 - 18, 20 ,锚杆预应力能够大幅减少巷道围岩的破坏范围,有效控制巷道围岩的变形。以上这些工作加深了我国煤矿对预应力的认识,极大地提高了锚杆预应力支护的技术水平,促进了预应力锚杆(索)支护技术在我国的发展。目前,对锚杆、锚索支护预应力场的研究,只是分析了不同预紧力对锚杆、锚索预应力场分布特征的影响,并没有研究锚杆、锚索联合支护时,各自施加预紧力大小的协调性问题,如果锚杆、锚索的预紧力大小不协调,就可能会出现支护系统不合理,甚至导致部分支护构件失效的危险。因此,本文采用数值模拟的方法,探讨锚杆、锚索联合支护时其预应力的协调关系。2数值模拟模型为了清晰地反映出锚杆- 锚索预应力联合支护产生的应力场,在不考虑原岩应力场的条件下,采用有限差分数值模拟软件FLAC3D模拟分析了锚杆与锚索预应力引起的应力场分布特征。2.1模型的建立本数值计算锚固体采用FLAC3D建立三维数值模型,模型尺寸为长宽高= 1510 m 210 m 1810m,巷道宽高= 510 m 310 m,共划分60 750个单元。巷道顶板为泥岩,底板为砂质泥岩,巷道围岩的物理力学参数见表1。锚杆、锚索均采用cable单元模拟,锚杆弹性模量为200 GPa,直径为22 mm,长度为214 m,屈服载荷为190 kN,拉断载荷为254 kN,加长锚固,锚固长度为110 m; 锚索弹性模量为195 GPa, 直径为22 mm,长度为610 m,拉断载荷为600 kN,锚固长度为115 m。顶板布置6根锚杆,间距900 mm,两帮各布置4根锚杆,间距900 mm,顶板锚索布置2根,间距210 m,巷道锚杆(索)布置如图1所示。2.2模拟方案本文主要研究锚杆、锚索预紧力施加的协调性问题。锚杆预紧力矩划分为200、300、400和500 Nm四个水平,其对应的锚杆预紧力分别为60、80、107和134 kN 21 。锚索预紧力分别为100、200 和300 kN三个水平。按照正交试验设计方法 22 进行组合,见表2。3预应力锚杆- 锚索联合支护的应力场分布特征岩石的破坏主要有拉破坏和剪破坏两种形式,采用锚杆锚索支护围岩的实质是通过锚杆(索)的预紧力对围岩施加一定的压应力,消除围岩开挖卸荷造成的拉应力和剪应力集中,保持围岩的完整性以起到围岩自身承载的作用,因此保持围岩锚固区内压应力区的连续和范围扩大,是锚固效果得以提高的关键。按照表2的锚杆- 锚索预紧力施加组合方案进行数值模拟,模拟结果如图2所示。从图2 ( a)中看出,锚杆、锚索预紧力联合作用在锚杆和锚索组成的骨架结构中形成了有效连续的压应力区,压应力区的压应力值一般在40 kPa左右;随锚索预紧力的增加,巷道表面的最大压应力从240 kPa增加到800 kPa,并且锚索预紧力的增加明显减小了锚杆端部的拉应力作用范围,当锚索预紧力达到300 kN时,锚杆端部的拉应力作用范围几乎消除。从图2 ( b)中看出,与图2 ( a)相比,锚杆端部的拉应力值和作用范围均有所增加,巷道表面的压应力值也相应增加。总体来说,联合支护结构中形成了有效连续的压应力区,压应力区的压应力值一般在80kPa左右;随着锚索预紧力的增加,巷道表面的最大压应力从280 kPa增加到800 kPa,锚索预紧力的增加明显减小了锚杆端部的拉应力作用范围。从图2 ( c)中看出,与图2 ( a) 、( b)相比,锚杆端部的拉应力值和作用范围又有所增加,巷道表面的压应力值也相应增加。联合支护结构中形成了有效连续的压应力区,其压应力值一般在100 kPa左右;随着锚索预紧力的增加, 巷道表面的最大压应力从350 kPa增加到800 kPa,锚索预紧力的增加明显减小了锚杆端部的拉应力作用范围,但与前两组组合相比,减小的幅度较小,即随着锚杆预紧力矩的增加,需要更大的锚索预紧力来平衡锚杆端部的拉应力。图2 ( d)与图2 ( c)反映的应力值大小和作用范围相差不大,压应力区的压应力值一般在100 kPa左右;但可以明显看出锚杆预紧力在锚杆端部形成的拉应力区较大,需要锚索提供更大的预紧力来进行平衡,锚索预紧力在200 kN时还不足以平衡锚杆端部的拉应力区,达到300 kN时才能有效平衡拉应力区。综合图2中4组数值模拟图片,可以看出锚杆、锚索预紧力的施加在巷道围岩表面及内部形成了大小不等的压应力区,随着锚杆预紧力的增加,其所形成的压应力值和范围也在不断扩大,但当锚杆预紧力达到400 Nm后,再增加锚杆预紧力对压应力值和范围的增加效果不明显;锚杆、锚索的端部随着预紧力的施加出现了大小不等的拉应力区,且其预紧力越大,拉应力的值和范围越大;锚杆端部的拉应力区可以通过增加锚索的预紧力来进行平衡,锚杆的预紧力越大,相应的需要锚索也要提供更大的预紧力,才能保证锚杆、锚索联合支护结构中压应力区的连续性;由图2可以看出,锚杆的预紧力矩大于300 Nm,且锚索预紧力大于200 kN时,联合支护区域所形成的压应力值的大小和范围的连续性才具有支护意义,但是锚杆预紧力矩大于400 N m,锚索预紧力大于300 kN后,其对联合支护区压应力值及范围的扩展作用不明显,因此,综合考虑支护效果和施工的难度及进度,建议进行预应力锚杆- 锚索联合支护时,锚杆的预紧力矩设定在300_400 N m之间,同时锚索的预紧力设定在200300 kN之间比较合理。4现场实践预应力锚杆锚索支护试验选择在淮南谢一矿5121B10工作面回风巷进行,顶板锚杆直径22 mm,长度2 400 mm,间排距为900 mm 1 000 mm,每排6根,树脂加长锚固,锚杆预紧力矩设计为500 N m;锚索采用22 mm, 1 19股高强度低松弛预应力钢绞线,长度6 300 mm,配合300 mm 300 mm 16 mm高强度拱形可调心托板,每排2根锚索,间距1 800 mm,沿巷道中间对称布置,排距1 600 mm,预紧力300 kN。施工过程中,由于机械和现场条件的限制,锚杆预紧力矩在400500 Nm之间,锚索预紧力基本达到了300 kN,由于现场条件与实验室条件的差别,现场锚杆预紧力矩转化为预紧力的数值要比实验室结果小 21 ,锚索张拉过程中也存在一定的预紧力损失 23 。巷道施工过程中,锚杆锚索的受力如图3所示,锚杆锚索均为从巷道顶板左方向右方依次编号。锚杆安装后,其预紧力从5373 kN不等,平均为62 kN,随着推进距离增加,其受力逐渐增长,最终受力平均为74 kN; 锚索安装初期其预紧力平均为240 kN,随工作面推进,其受力最终平均为251 kN,锚杆锚索的受力均在本文建议的合理预紧力协调范围之内。掘进期间巷道变形观测曲线如图4所示。掘进期间,顶底板移近量为60 mm,其中底臌量为36 mm,顶板下沉仅为24 mm;巷道两帮移近量平均为151 mm,其中煤帮(上帮)移近量为87 mm,煤帮为主要变形部位;从控制效果来说,整个巷道变形量较小,巷道的稳定性得到控制。采用新型预应力锚杆支护系统之前,该巷道也曾使用普通锚杆支护系统,其锚杆预紧力矩80 Nm,锚索预紧力为150 kN,巷道变形量非常大,新型支护前后支护效果对比如图5所示。5巷道锚杆锚索联合支护机理与效果分析以同煤大唐塔山煤矿全煤巷道为例，采用有限差分数值计算软件FLAC3D，对不同顶煤厚度、不同巷道布置位置、不同巷道高宽比、不同地应力大小、不同锚杆锚索预紧力等情况下巷道围岩受力与变形特征进行了研究。结果表明: 顶煤厚度在10 m 以内时，随着顶煤厚度增加，应力集中区范围扩大，应力值降低; 巷道掘进与相邻工作面回采后在煤柱中形成的应力集中区呈近似“三角形”的分布特征; 相同巷道高度下，随着巷道宽度增加，顶煤应力集中程度增加，底板岩体中应力值却降低; 煤岩体强度越高，围岩应力值越大; 锚杆锚索联合支护时，锚杆与锚索施加的预紧力应在锚固结构中形成相互连接、相互叠加的压应力区。井下试验表明，强力锚杆与锚索联合支护有效控制了巷道围岩变形，为全煤巷道提供了有效的支护手段。在我国煤炭资源总储量中，厚煤层占45% 以上。近几年，随着我国高产高效矿井的发展，厚煤层一次采全高、综采放顶煤技术不断应用，对巷道支护技术提出更高的要求。综采放顶煤工作面回风/运输巷一般沿煤层底板掘进，顶板为一定厚度的煤层。与岩层相比，顶煤一般强度比较低、松软破碎、稳定性差。加之受到采动强烈影响和遇地质构造，巷道变形破坏严重。因此，工作面回风/运输巷的支护对综放开采尤为重要。本文所述的全煤巷道包括两种类型: 顶板与两帮为煤层的巷道; 顶板、两帮及底板全部为煤层的巷道。目前锚杆与锚索支护技术已广泛应用于全煤巷道支护，在适宜的条件取得良好效果12。关于全煤巷道锚杆支护技术，已经有很多研究成果。文献3研究了全煤巷道锚杆支护技术在沿空煤巷中的应用，采用树脂加长锚固高强锚杆支护沿空煤巷。文献4采用数值模拟的方法研究了大断面全煤巷道层状顶板结构特征，并对全煤巷道围岩的离层位置进行了预判。锚杆支护技术在深部高地应力全煤巷道中也得到推广应用56。有些学者以模糊聚类煤巷围岩稳定性分类为基础，对全煤巷道锚网支护技术进行了研究7。通过近年来的研究发现，对于全煤巷道，大幅度提高锚杆与锚索的预应力，采用高预应力、高强度锚杆支护可有效控制围岩变形810。基于这种支护理念，本文以同煤大唐塔山煤矿8105 工作面5105 回风巷全煤巷道为例，采用数值模拟的方法研究全煤巷道围岩变形特征与主要影响因素，分析锚杆与锚索与围岩的相互作用关系。在此基础上，提出合理的锚杆与锚索支护设计，并进行井下试验，评价支护效果。5.1道围岩应力分布特征及影响因素的数值模拟5.1 .1模拟对象以同煤大唐塔山煤矿8105 综放工作面5105 回风巷为对象进行模拟研究。8105 综放工作面开采35 号煤层。煤层平均厚度为15. 8 m。由于受火成岩侵入影响，35 号煤层稳定性很差，容易发生断裂，煤层巷道围岩松软破碎，煤层和岩层的不连续面容易发生离层。5105 回风巷断面为矩形，宽5. 5 m，高3. 9 m。巷道沿煤层底板掘进。直接顶为粉砂岩、泥岩，下部有硅化煤及岩浆岩，平均厚度3. 36 m。直接底为高岭质泥岩，平均厚度为6. 56 m。巷道埋深为460 m。地应力测量结果为: 最大水平主应力为12. 90 MPa，垂直应力为11. 44 MPa，最大水平主应力方向为N19. 0E。5.1.2模拟方案采用有限差分数值计算软件FLAC3D 进行数值模拟计算。根据实验室测试结果确定模型中煤岩层物理力学参数，见表1。煤岩体采用Mohr Coulomb本构模型。结合塔山矿5105 回风巷地质条件，对影响巷道围岩应力分布的因素进行模拟分析。具体模拟方案如下:( 1) 巷道沿煤层底板掘进时，不同顶煤厚度对围岩应力分布的影响。顶煤厚度分别为0，5，10，15，20， 25 m。( 2) 不同巷道布置位置对围岩应力场分布的影响。垂直方向巷道沿顶板和沿底板两种不同布置方式; 水平方向煤柱宽度分别为10， 20，30，40 m 时，相邻工作面回采后对巷道围岩应力分布的影响。( 3) 不同巷道高宽比对围岩应力场分布的影响。全煤巷道高宽比为1， 0. 75， 0. 5 时围岩应力场分布特征。( 4) 不同地应力对全煤巷道围岩受力的影响。不同地应力组合见表2。5.1.3模拟结果分析顶煤厚度对围岩应力分布的影响图1 为不同顶煤厚度时巷道围岩应力分布状况。图1( a) 巷道顶底板为岩体，没有顶煤。巷道掘进后应力集中区主要位于顶底板岩层中巷道四角位置，最大压应力值达到22 MPa; 由于顶底板岩体强度相对较高，掘巷中有利于将压力均匀的传递到巷道两帮煤体中，降低巷道两帮煤体中的压应力，从而减少巷道变形。从图1( b) ( f) 中可以看出，随着顶煤厚度的增加，顶煤中压应力分布区域增大，顶煤中的应力值小于巷道底板中的应力值，顶煤与顶板岩层存在明显的交界面。总体来看，掘进期间，顶煤厚度在10 m 以内时，巷道围岩应力分布与顶煤厚度有较大关系，随着顶煤厚度的增加，顶煤中应力集中区扩大，应力值巷道布置位置对围岩应力分布的影响5105 回风巷以一定宽度的煤柱与上一个工作面的采空区隔开。煤柱宽度对巷道围岩应力分布产生显著影响，如图2 所示。当煤柱宽度为10，20 m 时，巷道掘进时两帮产生的应力集中区与工作面回采后在煤柱中产生的应力集中区相互叠加( 图2 ( a) ，( b) ) ，煤柱中最大应力值达33 MPa。当煤柱宽度增加到30 m 时，巷道掘进时在围岩中产生的应力集中区与相邻工作面回采在煤柱中引起的应力集中区开始相互分离，但仍对巷道围岩应力分布产生一定的影响( 图2 ( c) ) ，煤柱一侧巷帮最大压应力值约为30 MPa。随着煤柱宽度进一步增加，巷道受相邻工作面采动应力影响明显减弱，巷道掘进在围岩中形成的应力集中区与工作面回采形成的应力集中区基本分离( 图2 ( d ) ) ，巷道围岩最大压应力减小至27 MPa。总体来看，全煤巷道所在煤层由于厚度较大，巷道掘进与相邻工作面回采后在煤柱中形成的应力集中区与中厚煤层或薄煤层不同，煤柱中的应力不再是标准的“拱型”或“驼峰型”分布，而是呈现近似三角形的分布特征。全煤巷道在垂直方向主要有两种布置方式，一种是沿底板布置，另一种是沿顶板布置，二者应力分布情况存在较大差异( 图3) 。巷道沿底板布置时，巷道围岩应力集中区主要分布于巷道底板两个角处，最大应力值达到22 MPa。巷道顶煤中最大应力约为18 MPa。巷道沿顶板布置时，巷道围岩受力状态正好与沿底板降低; 随着顶煤厚度的继续增加，围岩应力分布变化变得不明显。布置相反，应力集中区主要分布于巷道顶板两个角处，最大应力值也为22 MPa。巷道底板煤体中最大应力也在18 MPa 左右。由于两种布置方式应力场分布不同，在巷道支护时应采取不同的围岩控制措施。巷道沿底板布置时，除对顶煤支护外，还应加强对巷道两帮的支护; 巷道沿顶板布置时，应加强顶板两角处的支护，同时采取措施防止或减少底臌的发生。巷道高宽比对围岩应力分布的影响不同巷道高宽比时围岩应力场分布如图4 所示。相同巷道高度下，巷道越宽，顶煤应力集中程度越高，顶煤中应力集中区分布范围越大，应力集中系数越高。巷道高宽比为1 时，顶煤中最大压应力约为12 MPa; 巷道高宽比为0. 75 时，顶煤中最大压应力约为16 MPa; 巷道高宽比为0. 5 时，顶煤中最大压应力也为16 MPa，但压应力集中区范围明显增加。不同巷道高宽比时，巷道掘进在底板中形成的应力分布存在较大差别，高宽比为1 时，底板应力集中区呈现“倒拱形”分布; 高宽比为0. 75 时，底板应力区分布呈现“倒驼峰”形分布; 高宽比为0. 5 时，底板应力集中区呈现不规则分布，但分布范围明显扩大。从底板最大应力值来看，随着宽度的增加，最大应力值有下降的趋势。地应力对围岩应力分布的影响不同地应力组合条件下巷道围岩应力分布如图5 所示。当水平应力与垂直应力相同时，顶煤和巷帮煤体中压应力基本相同，应力值相对较低，约为15 MPa; 应力较高区域主要分布在强度较高的巷道底板中，最大应力值约为21 MPa。水平应力为垂直应力2 倍时，应力集中区主要集中于巷道顶煤和底板岩体中，尤其巷道底板由于强度较高，其应力值和应力集中区域明显大于顶煤，最大压应力值达到33 MPa。当垂直应力为水平应力2 倍时，巷道围岩最大压应力值约为30 MPa，应力集中区呈圆弧形对称分布于巷道两帮。5.2锚索支护作用的数值模拟5.2.1模拟方法与方案为了清晰地分析锚杆与锚索在巷道围岩中产生的应力场，在不考虑原岩应力的条件下，进行了数值模拟计算。锚杆、锚索采用cable 结构单元模拟，锚杆弹性模量为200 GPa，屈服强度600 MPa，抗拉强度800 MPa，长度为2. 4 m，直径为22 mm; 锚索弹性模量为195 GPa，长度为8. 3 m，直径为22 mm，破断力为600 kN。分析锚杆、锚索不同预紧力在煤体中的应力分布。锚索预应力为100，150，200 kN; 锚杆预紧力分别为60，80，100 kN5.2.2模拟结果分析围岩锚固区内压应力值的提高和压应力区的范围扩大，是支护效果得以提高的关键。不同锚杆、锚索预应力组合方案下围岩应力分布如图6 所示。图6( a) 显示锚杆与锚索联合支护中( 锚索预紧力为100 kN) ，锚杆预紧力为60 kN 时，锚杆锚固区内能形成一定范围的压应力叠加区域，但不能覆盖顶板和两帮煤体锚杆之间的部分。锚杆附近煤体中形成的最大压应力值约为0. 55 MPa，锚杆之间部分压应力值约为0. 25 MPa。当锚杆预紧力为80 kN 时，巷道顶部和两帮锚杆预紧力扩散范围增大，在顶煤中的扩散区域基本能连成一个整体，但巷帮锚杆预应力扩散范围仍较小，无法覆盖整个煤帮。顶煤与巷帮煤体锚杆之间部分压应力值增加至0. 4 MPa 左右。锚杆预紧力增大至100 kN 时，巷道顶部和两帮锚杆锚固范围内锚杆预紧力扩散效果良好，基本覆盖整个锚固范围，锚杆之间煤体中压应力值增大至0. 5 MPa 左右。由于锚索预紧力较低，锚索预紧力无法扩散到锚索锚固范围，锚索预紧力与锚杆预紧力叠加效果不明显。与图6( a) 对比，图6( b) 中锚索预紧力增加到150 kN，顶煤中沿锚索长度方向和垂直于锚索方向的整个范围预应力扩散范围明显增加。从锚杆与锚索预紧力在煤体中形成的压应力值来看，受锚索预紧力提高及锚杆与锚索预紧力叠加的影响，锚索附近部分煤体中最大压应力达到0. 88 MPa。当锚杆预紧力为60， 80 kN 时，锚索与锚杆在顶煤中形成的压应力值分布不平衡，距离锚索较远的两根锚杆之间压应力值为0. 48 MPa。当锚杆预紧力达到100 kN 时，锚索与锚杆预紧力在顶煤中的扩散效果得到一定程度改善，距离锚索较远的两根锚杆之间压应力值为0. 64 MPa。从图6 ( c) 中看出: 锚索预紧力增大至200 kN时，锚索预紧力起主要作用，预紧力扩散范围基本覆盖了整个锚索锚固区域，煤体中所形成的压应力最大为1. 1 MPa。锚杆预紧力主要影响煤体中的压应力分布范围，随着锚杆预紧力增大，煤体中形成的压应力扩散范围和压应力值显著增加。图7 为锚杆预紧力100 kN，锚索预紧力150 kN时，锚杆锚索联合支护在巷道表面形成的压应力场分布情况。锚杆与锚索联合支护在巷道表面形成的压应力区相互连接，相互叠加。锚杆托板处顶煤压应力值达到2. 8 MPa，锚索托板处顶煤最大压应力达到了7. 7 MPa，锚杆与锚索的预紧力基本扩散到整个顶煤表面，形成了有效的压应力区，改善了巷道围岩的受力状态。井下试验与支护效果分析在塔山矿8105 工作面5105 回风巷全煤巷道进行了高强度、强力锚杆与锚索联合支护井下试验，并进行了矿压监测与支护效果分析。锚杆与锚索支护设计根据数值模拟结果结合已有的经验，确定塔山矿8105 工作面5105 回风巷采用高强度、强力锚杆锚索联合支护方法。顶板锚杆为BHRB600 型、22 mm 的左旋无纵筋螺纹钢，长度2. 4 m，树脂加长锚固，预紧力矩为400 Nm。锚杆间排距为800 mm800 mm，每排7根。采用W 钢带和菱形金属网护顶。锚索材料选用22 mm、119 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度8 300 mm，树脂加长锚固。每两排锚杆布置3 根锚索，间距2 000 mm，排距1 600 mm，锚索预紧力为150 kN。锚杆与锚索全部垂直巷道表面布置。两帮采用锚杆支护，锚杆杆体材料、直径、长度、锚固长度及预紧力矩均与顶板相同。锚杆间距为1 000 mm，排距为800 mm，每排每帮布置4 根。采用W 钢护板和高强度塑料网护帮。支护效果分析在5105 回风巷掘进期间，对围岩表面位移变化进行了监测，监测结果如图8 所示。掘进期间巷道表面位移监测结果表明: 距掘进工作面40 m 范围内，巷道顶底板和两帮位移增加较快;之后，围岩位移逐渐减缓。距掘进工作面70 m 后，巷道位移基本保持稳定。此时两帮移近量为20 mm; 顶底板移近量为22 mm。掘进期间巷道支护效果如图9 所示。总体上看，掘进期间巷道变形量小，支护效果良好。工作面回采期间，巷道顶底板最大移近量为252 mm，两帮最大移近量为405 mm。两次采动影响后，巷道断面有效面积为初始设计面积的86. 7%，完全能满足安全生产的要求。6术要求及更换支护的技术要求6.1 锚杆、锚索施工技术要求小梁沟煤矿支护改革巷道的大部分地段使用的锚索是由低松弛钢绞线制成，其延伸率只有3 5%，而锚杆的延伸率在20% 左右。相比而言，锚索的刚性较大，如何做到二者之间的协调，正确的设计锚索的预紧力十分重要。如锚索的预紧力过大，则巷道围岩的变形全部由锚索支撑，如锚索的预紧力过小，则锚索的悬吊作用不明显，一旦锚杆不能有效的支撑围岩，则围岩的过大变形不可避免。因此，应将锚索预紧力设计与锚杆的受力相适应，在实践过程中，顶板锚杆锚固力在150kN，设计锚索的预紧力为120 150kN 较为合适。( 1) 锚杆钻孔位置与设计误差不超过 50mm;( 2) 顶锚杆钻孔深度小于锚杆长度0 1m;( 3) 锚杆钻孔角度与设计角度误差小于 5;( 4) 顶板钻孔中先放入一支超快速药卷，再放入一支快速药卷，用螺纹钢锚杆将其送入孔底，开机后边搅拌边推进，直到锚杆接触孔底再转机10s 为止。( 5) 帮锚杆孔中放一支超快速树脂药卷，再放入一支快速药卷，用锚杆将其推入孔底后开动煤电钻，边搅拌边推进，直至锚杆接触孔底再转动15s 为止。( 6) 顶锚杆螺母预紧力矩不得低于120Nm，帮锚杆的螺母扭紧力矩不得小于60Nm。( 7) 护网必须拉紧，使之紧贴巷道表面; 金属网搭接长度200mm，搭接段每200mm 用12 号铁丝绑扎。( 8) 锚索支护必须紧跟锚杆支护后面进行，距锚杆支护的距离最大不得超过4m; 每根锚索必须用张拉设备安装，锚索的预紧力不小于150kN。4 2 更换巷道支护的安全要求小梁沟煤矿巷道服务时间较长，巷道离层非常严重，在施工之前要制定相应的技术措施，保证施工安全。( 1) 更换支护时，必须保证有在发生冒顶、堵塞巷道时人员能撤退的出口;( 2) 更换巷道支护时，必须由外向里逐架进行，严禁人员进入更换地点以里。( 3) 撤掉原有支架前，应先加固工作地点的支架。( 4) 更换支架的工作要连续进行，不连续进行时，每次工作结束前，必须接顶封帮，确保安全。7结论( 1) 掘进期间，全煤巷道顶煤厚度在10 m 以内时，随着顶煤厚度的增加，顶煤中应力集中区扩大，应力值降低; 顶煤厚度超过10 m 时，随着顶煤厚度的继续增加，围岩应力分布变化不明显。( 2) 全煤巷道所在煤层由于厚度较大，巷道掘进与相邻工作面回采后在煤柱中形成的应力集中区与中厚煤层或薄煤层不同，煤柱中的应力不再是标准的“拱型”或“驼峰型”分布，而是呈近似“三角形”的分布特征。( 3) 相同巷道高度下，巷道越宽，顶煤应力集中程度越高，顶煤中应力集中区分布范围越大，应力集中系数越高; 但随着巷道宽度的增加底板岩体中应力值却存在降低的现象。( 4) 锚杆、锚索预紧力对改善全煤巷道围岩受力状态起关键作用。合理的锚杆、锚索预紧力应在锚固区内形成相互连接、相互叠加的有效压应力区。( 5) 高预应力、强力锚杆锚索联合支护有效控制了塔山矿全煤巷道围岩强烈变形，为全煤巷道提供了可靠的支护方式。(6)提出了锚杆- 锚索联合支护的预应力协调 性问题。采用数值模拟的方法,计算分析了不同锚杆预紧力矩和锚索预紧力组合情况下巷道围岩应力场的分布特征与规律。(7)预应力锚杆- 锚索联合支护在支护结构内形成了相互连接、相互叠加的有效压应力区,且随着锚杆、锚索预紧力的增加,压应力区的值和范围均不同程度的增加。(8)随着锚杆预紧力矩的增加,锚杆端部的拉应力值和范围都不断增加,可以通过施加锚索预紧力来平衡锚杆端部的拉应力区,且锚杆预紧力矩越大,平衡其端部拉应力区所需的锚索预紧力越大。(9)锚杆预紧力矩大于400 N m,锚索预紧力大于300 kN后,其对联合支护区压应力值及范围的扩展作用不再明显,因此进行预应力锚杆- 锚索联合支护时,锚杆预紧力矩选择在300400 Nm之间,同时锚索的预紧力选择在200300 kN之间比较合理。在淮南谢一矿进行了预应力锚杆锚索联合支护系统井下试验,试验表明,合理的预应力锚杆锚索支护可以显著控制围岩变形。参考文献: 1 赵长海. 预应力锚固技术M . 北京: 中国水利水电出版社,2002.Zhao Changhai. 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