顶板水对锚固结构的影响及控制研究

张俊敏，柏建彪，2，张伟光，2

(1.新疆工程学院 矿业工程与地质学院，新疆 乌鲁木齐 830091； 2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

20世纪90年代以来，锚杆支护以其显著的技术和经济优越性，在煤矿巷道围岩控制中获得了广泛应用，是巷道支护的一场革命[1-4]。当巷道顶板中赋存含水层时，巷道开挖产生的裂隙与含水层贯通，水将沿着裂隙或锚固孔下渗而引起锚固界面弱化，导致锚固力下降，甚至造成支护系统失效[5-7]。因此，开展水影响下锚固结构弱化特征的研究，对于富水顶板巷道树脂锚杆支护技术的完善具有重要意义。曾一凡等[8]根据导水裂隙带高度计算结果对顶板冒裂安全性进行分区，结合富水性评价结果，对煤层顶板风化基岩裂隙含水层突水危险性进行了预测评价。姚强岭[9，10]针对典型的富水巷道顶板条件，分析了顶板水流动特征及其对顶板支护强度的影响，提出了有控疏水、合理保水技术以减少顶板水对岩石侵蚀弱化作用和提高围岩自身强度的方法，并得到了富水巷道顶板锚杆支护主要技术参数。胡滨等[11]研究了水对树脂锚杆锚固性能的影响，得出顶板钻孔淋水和巷帮钻孔积水对树脂锚杆锚固性能影响较大的结论。周杰等[12]通过对锚固体力学性能的实验模拟和数值模拟，得出随钻孔积水量的增加，锚固性能弱化作用更加显著。邓辉等[13]研究发现在深埋遇水软化软岩巷道中锚杆、锚索工作锚固力相对较小、预紧力偏小，使用锚梁网喷+锚索联合支护结构可有效控制该类巷道变形。谢志红[14]开展了顶板泥岩的耐崩解性试验和膨胀性试验，试验结果显示水对软弱夹层弱化作用较强，并提出了梯次支护技术，工业性试验显示该技术具有较好的支护效果。王襄禹等[15]分析了弱胶结富水巷道顶板弱化规律，提出合理保水、有控疏水及高性能锚杆(索)支护相结合的综合控制技术，围岩控制效果显著。本文以哈密大南湖矿111801运输巷为研究背景，建立FLAC数值计算模型，分析顶板含水量对锚固结构可靠性的影响，提出合理有效的控制措施。

1 工程概况

哈密大南湖矿位于新疆维吾尔自治区哈密市西南，矿井设计生产能力为4.0Mt/a。主要可采煤层为中侏罗统西山窑组中含煤段的18、19、20、22、23、24、25煤，共计7层，均为较稳定的大部可采煤层。各主要可采煤层物理性质基本相似，现阶段开采18煤层，18～19煤之间煤层间距在0.75～18.00m，平均6.44m。

18煤顶底板多为灰色砂质泥岩和粉砂岩，111801运输巷顶板存在含砾粗砂岩含水层，顶板常会出现淋水现象。因为水会阻碍树脂锚固剂反应物凝结，降低锚固剂粘结力，弱化锚固区围岩，所以围岩含水量会影响锚固结构的锚固性能。

2 水对锚固结构影响程度分析

2.1 FLAC数值模型建立

模拟不同围岩含水量条件下支护应力场的分布规律，分析水对锚固结构可靠度的影响。采用FLAC3D软件，建立由单个锚杆和周围岩石组成的锚固结构模型，模型中采用Φ22mm×2000mm的锚杆，赋值参数为：弹性模量210GPa，屈服强度500MPa。为了更好地研究锚杆支护产生的支护应力场，在模拟中没有施加原岩应力，预紧力施加在锚杆的尾部；为了模拟含水率对锚固结构的影响程度，选取锚杆孔围岩含水率分别为2%、4%、6%进行模拟，三种数值模型所确定的锚固段长度统一为0.6m、施加的预紧力为120kN。

为建立围岩不同含水量的锚固结构模型，需确定不同含水率下岩体的物理力学参数。将砂质泥岩和粉砂岩试样分为5组，分别为烘干24h、浸水30min、浸水1h、浸水2h和饱水5种含水状态，选择浸水后较为完整的岩样分别进行单轴压缩实验和剪切实验。测定不同含水状态下砂质泥岩和粉砂岩的单轴抗压强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角等参数。由测试结果拟合出岩体不同含水状态下力学参数变化曲线，获得含水率与力学参数间的定量关系，如图1所示。在建模过程中使用FISH语言把含水率与力学参数间的函数关系导入模型获取与现实岩体参数一致的数值模型。

图1 岩体力学参数-含水率变化拟合曲线

2.2 围岩含水率与预应力承载结构的关系

锚固长度为0.6m、预紧力为120kN时，对于含水率分别为2%、4%、6%的锚杆孔围岩，锚杆的应力场分布和有效压应力的作用范围，如图2所示。从图2中可以看出岩石高含水量会降低有效压应力范围和压应力强度，导致锚固结构的整体性能明显降低，锚杆不能产生有效的主动支护效果。

图2 不同含水率支护应力分布云图

由图2可知：单个锚杆施加预紧力在岩石中可形成类椭圆体的压应力分布区域，在锚杆尾部附近和锚固的起始端的压应力较大，在锚杆自由段中部形成的压应力相对较小并且压应力向锚杆两侧延展，所以压应力范围和强度决定了锚固结构的整体性能。

随着岩石含水率增加，锚固体在周围岩石中产生的有效压应力区域逐渐减小，当含水率为2%时，锚边有效压应力区域的最大范围为0.5m，压应力达到0.1MPa的范围为0.2～0.3m；含水量为4%时，有效压应力区的范围在锚杆自由段上部区域有所减小，没有形成压应力大于0.1MPa的连续区域；含水量为6%时，有效压应力最大作用范围为0.35m，沿锚杆轴向方向不能形成连续的有效压应力区，此时锚固结构的可靠性较弱。因此，对于顶板富水巷道围岩控制的关键是降低顶板含水量，减少水对锚固结构的弱化作用，保证巷道围岩稳定。

3 富水顶板锚固结构强化技术及应用效果

由于111801运输巷含水层层位较低，顶板锚索会穿过含水层，顶板水顺着锚索孔流出，对支护体产生弱化作用，降低锚固结构的可靠性。因此提出了采取锚索注浆堵水的控制方案。

3.1 锚索注浆合理保水

为降低顶板水流动对锚固结构的影响，采用锚索注浆的保水措施把顶板流动水变为静态水，如图3所示。注浆可以实现锚索全长预紧力锚固，防止锚索生锈，使顶板中水恢复到原来状态，改善控制顶板围岩效果。锚索使用带注浆管的自制托盘，安装锚索时孔口位置用麻绳掺速凝剂封堵。

图3 带注浆管的自制托盘示意图

3.2 富水顶板巷道支护参数设计

紧跟掘进工作面迎头进行锚杆支护，先初喷50mm，打锚杆挂网后进行复喷，复喷50mm，喷层总厚度为100mm。顶锚杆采用Φ22mm×2200mm左旋高强预应力螺纹钢锚杆，间排距为850mm×800mm；顶板锚索采用Φ18.9mm×6800mm的锚索，每隔两排锚杆1600mm布置2或3根Φ18.9mm的小孔径预应力锚索，布置方式为“3-2-3”；左右两帮采用与顶锚杆参数相同的锚杆，间排距为750mm×800mm。

3.3 支护效果观测

沿巷道掘进方向采用锚杆锚索支护后每100m设置一个包含测力锚杆和锚杆测力计的综合观测测站，对掘进及回采期间锚杆的受力情况进行定期观测。

1)为了测试锚索注浆合理保水措施后锚杆支护结构的可靠性，分析了锚杆的轴向荷载监测数据，如图4所示。监测数据显示顶锚杆的轴向载荷最大为30kN，Φ22mm高强锚杆的破断载荷为186kN，锚杆仍有较大的承载空间。

图4 锚杆轴向载荷监测曲线

2)不同时间段的顶板测力锚杆受力曲线如图5所示，锚杆安装以后，杆体受力在工作面回采之前的变化并不大，但工作面回采之后杆体受力不断增大。锚杆沿长度方向的载荷分布并不是均匀的，受力在浅部围岩处较大，距顶板0.7m深处锚杆受力最大，且锚杆受力在距托盘较近的位置开始变大。

图5 不同时间段的顶板测力锚杆受力曲线

顶板测力锚杆与工作面距离的关系曲线如图6所示，杆体受力在工作面回采期间一直增加，在距工作面30m附近增速加快，说明工作面回采引起的超前支承压力影响范围在30m左右。锚杆受力最大为65kN，远小于Φ22mm锚杆的破断载荷(186kN)，说明支护参数能够满足巷道围岩变形。

图6 顶板测力锚杆与工作面距离的关系曲线

4 结 论

1)富水顶板涌水量大，不利于树脂锚固剂反应物凝结，造成锚固区围岩的弱化，减弱了锚固结构的锚固性能。

2)提高富水顶板锚固结构可靠性的关键在于降低顶板含水量，减小水对锚固结构的弱化作用，提高巷道围岩稳定性。

3)工业性试验表明采用锚索注浆的合理保水措施可以降低顶板含水量，提高锚固结构的安全可靠性，满足了巷道围岩变形要求，具有较好的技术效果。