1、专题部分煤巷中锚杆、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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、
7、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
8、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
9、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
10、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
11、)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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
