锚杆（索）对煤岩巷道的支护机理研究

 

　　引言

 

　　煤岩巷道支护是井工开采煤矿提高巷道边坡和顶板稳定性的主要的技术手段，现有的主要锚固材料分为锚杆和锚索两种，二者在物理力学性质方面存在区别[1]，在锚固机理上也存在着一定的差异。通过锚杆（索）的组合作用，实现了对煤岩巷道的有效支护，提高了整个矿山的安全性，本文针对于两种不同锚固材料的机理进行演技，分析锚固作业改善岩体条件的基本原理，揭露锚固支护的本质。

 

 

　　锚杆是一种刚性金属材料，一般由碳钢制成，安装在矿山的巷道、隧道或露天矿的边坡，通过锚杆的张拉和抗剪作用来提高岩体的稳定性。其主要的作用机理是通过对锚杆施加预紧力来压紧滑动岩体与稳定岩体之间的节理面[2]，改善节理面的粘聚力和内摩擦角等参数来提高稳定性，同时依靠锚杆自身的刚度提供一定的支挡作用，防止岩体滑动甚至脱落。按现有支护理论，锚杆支护作用的基本理论有悬吊理论、组合梁理论、加固拱理论等。

 

　　1.1悬吊理论

 

　　锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。这种支护理论应用比较广泛，但存在以下明显缺陷：

 

　　（1）锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下等于破碎岩层的重量，而这种条件在巷道中并不多见，悬吊理论则认为锚杆受力就等于其加固区围岩的重量[3]，这与锚杆实际受力情况存在很大偏差。

 

　　（2）没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应力比较大时，顶板离层很大。为了减小破碎岩层的离层，保持顶板的稳定性，应加大锚杆的预应力。

 

　　（3）当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度的提高破碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力，从而减小锚杆受力。

 

　　总之，悬吊理论在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而是将锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。

 

　　1.2组合梁理论

 

　　如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动[4]，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。其原理如图2所示。

 

　　组合梁理论充分考虑了锚杆对层状顶板离层及滑动的约束作用，原理上对锚杆作用分析的比较全面，但它存在以下缺陷：

 

　　（1）组合梁有效厚度很难确定，它涉及到顶板的岩层分布和影响锚杆支护的众多因素，目前还没有比较准确的理论方法来确定有效组合梁的厚度；（2）没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的影响。在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏失稳的主要原因。

 

　　1.3组合拱（压缩拱）理论

 

　　在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱[5]，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。

 

　　组合拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软弱煤层中得到广泛应用。但也同样存在一些缺陷：

 

　　（1）影响加固拱厚度的因素很多，很难准确估计；（2）加固拱厚度远小于巷道跨度时，加固拱是否发生破坏不仅与其强度有关，更主要取决于加固拱的稳定性，在该理论中没有考虑。

 

 

　　锚索是一种柔性的锚固材料，一般有多股钢绞线编制在一起制成。该材料在进行锚固作业时通过自身提供的拉力来保证巷道顶板和边帮的稳定性。锚索有不同形式，如端锚预应力锚索，全长锚固预应力锚索，以及全长锚固非预应力锚索[6]等。不同形式的锚索其支护加固机理也有所不同。

 

　　（1）端锚预应力锚索

 

　　这种锚索主要起悬吊作用，如图4所示。锚索把下部不稳定岩层悬吊于上部稳定的岩层。同时，由于锚索可施加较大的预紧力，可挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。

 

　　（2）全长锚固预应力锚索

 

　　这种锚索不仅具有端部锚固预应力锚索的各种作用，而且由于锚索沿全长锚固，具有类似全长锚固锚杆的作用。索体和锚固剂共同作用，提高岩体的整体强度和刚度。

 

　　（3）全长锚固非预应力锚索

 

　　与全长锚固预应力锚索相比，这种锚索的最大特点是没有预紧力，因而承载速度慢，支护加固不及时。只有围岩发生一定变形后锚索才承受较大的载荷。

 

 

　　3.1弹性分析

 

　　为了定性地说明问题，将锚杆（索）支护简化为作用于巷道周围径向的压应力和锚固区围岩体力学参数（E、）的提高，运用线弹性理论的解析法[7]，分析在不均匀、连续、各向同性岩体的圆形巷道中，锚杆（索）沿圆形巷道径向等间距布置时，在围岩中产生的附加应力。计算巷道锚固附加应力的力学模型。内径为a，外径为b，即锚固区范围为b-a。锚固区弹性模量为E，泊松比为；原岩区弹性模量为E’，泊松比为。

 

　　如果锚杆（索）所提供的预紧力为T，沿圆周等间距布置n根锚杆（索），则其在锚固围岩的内边界上产生的附加径向压应力Pa为：

 

　　（1）

 

　　该问题为轴对称平面应变问题，其弹性力学解为：

 

　　锚固区，即a≤r≤b时

 

　　（2）

 

　　原岩区，即b＜r＜∞

 

　　（3）

 

　　其中：

 

　　（4）

 

　　且应力以压应力为正而拉应力为负，经锚杆（索）加固后，锚固区围岩的弹性模量得到提高，泊松比降低，所以E＞E’，＞，因而m＜1，应力分布大致如图5。

 

　　3.2塑性分析

 

　　巷道开挖后，由于施工方面的原因，围岩往往得不到立即支护，当施加锚杆支护时，巷道附近的部分围岩已进入屈服状态。下面考虑在部分围岩进入塑性屈服的情形下，锚杆支护对于围岩应力状态的改善。其计算模型如图6。

 

　　巷道半径为a，塑性区半径为R0，预紧力锚杆作用于巷道周围的径向压应力为Pa，考虑莫尔-库仑屈服准则，当λ=1时，得塑性区应力及半径：

 

　　式中：，Rc为围岩单轴抗压强度，

 

　　弹性区应力：

 

　　当径向压应力Pa=0时即为无支护状态下的应力及塑性区半径，由以上各式得出无支护和有支护时围岩应力变化情况。

 

　　在围岩周边加上径向压应力Pa后，使洞周塑性区应力随着径向压应力Pa的增大而增大，洞周从二向应力状态转化为三向应力状态[8]。在维持极限平衡状态的情形下，使径向应力由零变为Pa，切向应力由Rc增大为，这在图中表现为莫尔应力圆上移。塑性区半径R0随着径向压应力Pa的增大而减小，图中塑性区半径由R0减小为R0’。

 

 

　　永煤集团城郊煤矿原设计生产能力为240万吨/年，经过两次大的技术改造，2009年核定生产能力为500万吨/年。矿井目前有6个生产采区，1个准备采区，（东部2个生产采区，北部4个生产采区和1个准备采区），西翼十六采区到2012年上半年具备生产条件。在具备生产条件之后，巷道出现涌水现象，巷道稳定性骤降，为了保证综采作业顺利推进，对西翼十六采区进行了锚固。

 

　　首先对采用锚网梯喷浆对1-1断面进行支护，锚杆间排距700×700mm，喷浆厚度为30～50mm，二次支护采用锚网喷浆支护，锚杆间排距为1000×1000mm，喷浆厚度为70～90mm，喷浆总厚度为120mm，锚杆为Φ20×2400mm的高强锚杆，铁托盘规格150×150×8mm，矩形布置，完成锚固之后的锚固力达到120kN。在此基础上又在1-1、2-2断面的巷道顶部沿中心线打3根型号为Φ18.9mm×8000mm的锚索，锚索间排距1400mm×1400mm。锚索托板为250×250×20mm，托盘后使用钢筋梯加强支护，完成支护后的锚索锚固力为150kN。

 

 

　　通过对于锚固机理的研究可以明确，锚杆（索）与围岩的相互作用关系是一个非常复杂的问题。锚杆支护对破碎煤岩体的锚固机理主要有3个方面，一是提高锚固体的峰值强度和残余强度，提高锚固体峰值前、峰值后的内聚力C和内摩擦角；二是通过锚杆的轴向作用使围岩由二向应力状态向三向应力状态转化，改善围岩的应力状态，同时通过锚杆的横向作用，阻止围岩沿裂隙等弱面发生相对滑动，提高弱面的抗剪能力，达到提高锚固体残余强度的目的；三是通过锚杆的锚固作用，在保持较大残余强度的同时，锚固体有控制地发生较大变形，释放围岩变形能，降低锚固体的压力，使锚固体适应煤层巷道围岩大变形的特点。明确了这三个方面的特点，对于今后的锚固机理研究和锚固方案实施有非常重要的指导意义。