回采巷道锚杆支护分析

　　摘　要　运用离散元法对大倾角煤层回采巷道的锚杆支护作用进行了分析，提出了回采巷道支护的4个基本原则。指出了回采巷道锚杆支护的几个应注意的问题及其对策。

　　关键词　锚杆支护　离散单元法　大倾角煤层　回采巷道

0　引　言

　　近年来，随着现代支护理论的形成与发展，回采巷道支护技术也得到了相应的发展。锚杆作为对岩层起加固作用的支护形式，具有很大的优越性。因此，我国在推广快硬水泥锚固剂和树脂锚固剂以及应用缝管式锚杆、发展小孔径锚固技术，在动压巷道中采用锚梁网组合支护，研制和试验可拉伸锚杆和桁架锚杆等方面做了许多工作，取得了“分段非等强联合支护”、“释能型支护”等成果，丰富了矿压理论，改进了回采巷道的支护状况。下面在总结有关研究成果的基础上，用离散元法模拟巷道围岩与锚杆的相互作用，对回采巷道锚杆支护应注意的几个问题进行分析，并提出相应的解决办法。

1　大倾角煤层回采巷道锚杆支护作用

1.1　锚杆支护作用
　　从大倾角煤层回采巷道围岩的变形和破坏可以看到，节理、裂隙等弱面对于岩体的力学特性起控制作用。锚杆在层状岩层中，对围岩所起的加固作用十分明显。锚杆所提供的抗拉与抗剪力以及锚杆的预紧力，可以使层状岩层的层面摩擦阻力增加，限制分层相互错动和离层，从而加固围岩，提高岩体的整体强度。锚杆在层状岩层中的作用机理主要有：
　　(1)悬吊作用。将不稳定的岩层悬吊在上面稳固岩层上。锚杆的拉力来自被悬吊岩层的自重。另一方面，锚杆又通过减跨作用，使顶板岩层的弯曲应力和挠度降低，从而增加了顶板岩层的稳定性。
　　(2)组合梁作用。在有些情况下，顶板没有坚固岩层得以悬吊，或顶板是由厚度较大(通常超过常规锚杆长度)的不稳定岩层组成时，锚杆的作用就表现为组合梁作用，即通过锚杆的预紧力和张力，将邻近顶板的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力，阻止层间相互错动，使全部锚固层共同变形。因而在巷道上方形成了具有一定厚度及抗弯刚度的组合梁，从而提高其承载能力。
　　大倾角煤层回采巷道顶板可视为一斜梁，锚杆作用也同样具有上述机理。

1.2　大倾角煤层回采巷道锚杆支护的离散元模拟
　　在计算模型中，离散元采用了可充分变形单元，模型计算参数和条件取自文献〔1〕，在巷道两帮及顶板安设了预应力锚杆。
　　该模型煤层倾角为35°，分两种情况模拟。第1种情况只锚固顶板，第2种情况是锚固顶板和两帮煤体。
　　顶板布置了1.6 m长锚杆4根，端头锚固，垂直岩层层面布置。在巷道的两帮煤体中各安设1根木锚杆，上帮长2.0 m，下帮长1.4 m。
　　只锚固顶板时，顶板强度和抗弯刚度明显提高，在初期表现具有较强的抗变形能力，只有微小的下沉。但是，随着两帮煤体的片落，支承点内移，顶板跨度增加，顶板开始进入不平衡状态，并出现了下沉、离层。但这种下沉与离层是经过40多万次迭代才出现的，这说明顶板锚杆的作用是相当有效的。
　　与不支护巷道相比，顶板锚杆支护的巷道即使最终失稳，保持稳定的时间也要长数百倍，也能使顶板保持只离层但不垮落。
　　顶板和两侧煤帮均安设锚杆时，计算表明，两帮煤体片帮得到控制，顶板下沉很小，围岩处于稳定状态。考虑到回采影响，也只是煤层有破坏，顶板相当稳定。
　　从离散元的分析可以看出，锚杆可以有效地控制围岩的变形与破坏，但必须实行顶板和两帮的全支护和分段加强支护，以保证在受到采动影响时，巷道不至失稳破坏。

2　回采巷道支护原则

　　回采巷道支护应遵循以下原则：
　　(1)支护原则。回采巷道的支护应该是针对顶板和两帮的全支护，对于有底臌倾向的底板，还应对其进行支护和治理。
　　(2)支护与围岩共同作用原则。岩层具有一定的自承及承载能力，采用及时有效的支护手段以保证回采巷道围岩的整体性，使支护和围岩结合起来，形成一个承载整体结构，共同支承围岩载荷，在提高回采巷道围岩稳定性的同时，将使支护费用明显减少。
　　(3)控制原则。为充分发挥巷道围岩的支承能力，应允许巷道围岩产生一定量的位移和变形。但是，围岩过度的位移和变形将导致其自身结构的破坏，使巷道周边的围岩丧失自承能力，以至在巷道围岩强度降低的同时，给巷道支护又增加了因围岩松动而产生的松动载荷。因此，回采巷道支护必须将其围岩的位移和变形控制在一定限度内，保持围岩完整，这就要求及时支护，并且支护要具有一定柔度和较高的初撑力。
　　(4)短期临时加强支护的原则。回采巷道要受到采面的采动影响。然而，由于工作面前方支承压力明显作用的范围不大(一般15～25 m)、作用时间不长(一般5～10 d)，巷道支护始终采用针对受采动影响时的支护形式，在技术和经济上显然不合理。合理的回采巷道的支护，应采用针对原岩应力场内受静压作用时的支护形式，作为巷道的基本支护。当巷道受到回采工作面的采动影响时，在巷道内增设具有较高初撑力和刚度的临时加强支护，以改变巷道支护特性，提高巷道支护结构的整体承载能力，使支护与围岩迅速达到新的稳定状态。
　　锚杆支护所具备的优点可以作为巷道基本支护，再配合以适当的临时加强支护方式更容易满足上述支护原则。只要条件适宜、参数合理、施工技术措施得当，就能取得良好的技术经济效益。

3　回采巷道锚杆支护的几个问题及对策

　　锚杆支护是今后回采巷道的主要支护形式，如何更好地发挥其优点，合理、经济、有效地控制围岩仍然有许多工作要做。

3.1　锚杆的预紧力
　　由于地下岩体的抗拉强度很小，加之回采开巷对原生和采动裂隙、层理面等弱面的切割破坏，弱面的抗拉强度大大降低。而弱面的抗剪强度则主要取决于作用在该面上的正应力，当正应力较小时，抗剪强度也不大。因此，开巷后在围岩变形很小时就出现开裂、挠曲、离层、滑动、裂纹扩展和松动等破坏现象，使围岩强度大大降低。如果开巷后立即安装锚杆，但未施加预紧力或预紧力很低，则锚杆会由于初始滑移以及较高的可变形量而无法阻止围岩的弯曲、开裂、层面滑移和弱化。只有当围岩变形达到一定程度时锚杆才能起作用，但这时围岩几乎已丧失抗拉和抗剪能力，只能依靠锚杆自身的强度去抵抗围岩破坏，这显然无法实现主动支护和充分利用围岩强度。而许多锚杆失效与破坏的情况往往是由此造成的。
　　如果在及时安设锚杆的同时立即施加足够的预紧力，不仅可以消除锚杆的初始滑移量，而且能给围岩施加一定的预压力。既可以抵消一部分拉应力，又可以增大摩擦力而提高围岩的抗剪强度，减缓了围岩弱化，提高了围岩强度，保证巷道的稳定性。而且，由于锚杆预紧力的增加，提高了分层层面的摩擦力与粘结力，从而提高了组合梁的强度，可以减小组合梁的组合厚度，加大锚杆间距，相应地可以节约钢材，缩短工期，提高工效。
　　提高锚杆的预紧力可以采取以下措施：
　　(1)研制大扭矩带指示器的扭矩扳手；
　　(2)研制配套的机械化锚杆安装机具；
　　(3)提高杆体的强度，改进杆体结构；
　　(4)推广桁架锚杆。

3.2　锚杆的及时支护
　　层状岩层中形成回采巷道后，顶板及两帮煤体即产生变形。对于由多个分层组成的顶板，如果不及时支护而任其下沉，一旦产生离层，岩体整体强度降低，就起不到加固围岩、发挥其支撑能力的作用了。而及时安设锚杆，并给予合理的预紧力，就可以减小围岩拉应力区，改变围岩应力状态，提高围岩强度，充分发挥锚杆支护的优势。
　　对于由松软、破碎、分层多、厚度小的岩层组成的顶板，及时支护更有实际意义。可以辅以网或梁形成联合支护或采用桁架锚杆，控制围岩的早期变性。

3.3　加固两帮煤体
　　相似材料模型实验和离散元计算结果都表明：回采巷道一般顶板暴露面积比两帮大，但是由于围岩强度的差异以及应力重新分布等原因，两帮往往先发生破坏。结果是扩大了顶板悬露跨度，支承点内移，引起顶板状况进一步恶化。因此，两帮煤体支护十分必要。尤其对于大倾角煤层回采巷道的上帮，由于巷道位置、节理裂隙等弱面的方向以及煤体应力综合作用的结果，往往使其严重破坏，有的煤层片帮达数米之深。
　　根据有关的围岩松动圈的测试结果，回采巷道两帮煤体的破坏松动范围一般超过2.0m，大倾角煤层巷道的上帮更是如此，因此必须对其进行加固。

3.4　锚杆支护质量监控
　　由以上分析可知，锚杆预紧力偏低以及预紧力的不均衡，都会对回采巷道锚杆支护产生不利的影响，尤其对破碎顶板。
　　在锚杆支护施工中，由于操作人员自身素质、技术、责任心、体力的差异，都会直接或间接地对锚杆的预紧力产生影响，加之工程管理以及质量检验中对锚杆预紧力监测缺乏直观指标和有效手段，导致在实际施工过程中锚杆预紧力不足或不均衡现象很难根绝，由此造成一些锚杆形同虚设，增加了事故的隐患和锚杆失效率。因此，通过简单的装置和方法，实现锚杆安装预紧力量化显示，提高锚杆支护施工管理水平，已成为锚杆支护推广与应用的必然而迫切的要求。
　　根据现场需要，我们研制了锚杆预紧力标示圈，获得了国家实用新型专利。它用以标示锚杆安装预紧力，由上盖、弹性垫圈和外壳组成，如附图a所示。

附图　锚杆预紧力标示圈及安装示意

1—上盖；2—弹性垫圈；3—外壳；
4—托盘；5—标示圈；6—锚杆杆体

　　实际使用时，标示圈安装在锚杆螺母与托盘之间(附图b)，当拧紧螺母时，通过上盖压缩弹性垫圈，当上盖全部压入外壳时，弹性垫圈变形达到极限，锚杆张力则达到设计的预紧力P₀。对于不同要求的预紧力，可采用外形尺寸不同的弹性垫圈。使用时，上盖外表面涂以反光性能较好的光亮外层，当看不到光亮层时，表明锚杆预紧力达到设计要求。这样，通过标示圈就可以保证锚杆预紧力达到设计要求并能均衡分布。
　　通过在集贤等矿的使用，凡安装标示圈的巷道，由于锚杆安装的预紧力均匀，且预紧力值得以充分保证，巷道顶板岩层均无明显裂隙产生，顶板的完整程度和稳定性明显好转，且标示圈无一失效。
　　由于锚杆预紧力标示圈安装工艺简单，标力显示明显且可靠，制作成本低廉，受到现场普遍欢迎。

4　结　论

　　(1)回采巷道的支护应充分遵循全支护原则、支护与围岩共同作用原则、控制原则和短期临时加强支护的原则。
　　(2)锚杆及其组合支护(锚网、锚梁、桁架等)可以充分发挥围岩的自身承载能力，提高围岩的强度，适应动压作用，是回采巷道有前途的支护形式。层状岩层中，不破顶的回采巷道锚杆作用机理主要是悬吊作用和组合梁作用。
　　(3)提高锚杆的预紧力和及时支护，对于增加围岩强度、控制岩层早期变形和破坏、发挥围岩自承能力有重要意义。
　　(4)锚杆预紧力标示圈结构合理，可以保证锚杆预紧力及其均衡程度，对于实现锚杆支护质量验收标准化及取得预期的支护效果有积极意义。