巷道交叉点对穿锚索支护技术研究

于永政 吴起 徐进 张宝林 张显

(1.江苏安全技术职业学院 江苏徐州 221000； 2.江苏煤矿安全监察局安全技术中心 南京 210024；3.常州工程职业技术学院 江苏常州 213164)

0 引言

在巷道开掘以前，未经采动的岩体通常处于弹性变形状态[1-2]；巷道掘进后，巷道围岩应力由三向应力状态转变为双向应力状态[3-4]。巷道交叉点一般需要经历多次掘进施工，巷道交叉点岩体经历多次“扰动—重新分布”的影响作用，造成掘进后的围岩破碎，承载能力下降。交叉点处第二条巷道掘进后，围岩内应力集中系数比第二条巷道开掘前增大 40%～50%[5-7]。同时，由于巷道交叉点断面较大，应力易在巷道交叉位置集中，造成交叉点岩体的进一步破坏，承载能力、峰值强度和残余强度降低[8]。由于交叉点岩体破碎程度高，目前较常采用锚杆或砌碹的方式进行支护，但在破碎煤体中，锚杆锚固力小，支护作用降低，而砌碹支护施工复杂，劳动强度大，也不利于监测围岩变形。采用锚杆支护结合预应力对穿锚索加固巷道交叉点岩体，可显著提高交叉点岩体的整体性，改善其力学性能，提高巷道交叉点围岩控制效果。

1 对穿锚索支护机理分析

1.1 半平面体力学计算分析

由于锚索的预紧力通过锚索托盘作用于巷道交叉点岩体表面，为了研究预应力锚索作用下巷道交叉点岩体的应力状态，根据弹性力学中的半平面体理论，可认为托盘整体向岩体表面施加均匀压力，简化为研究半平面体在边界上受法向分布力作用时的弹性问题。为了方便计算，假设锚索索体垂直于岩体表面，托盘向岩体表面施加的压力为均匀分布的压应力。建立预应力对穿锚索作用于岩体表面的半平面体力学模型[9-11]，如图1所示。

图1 预应力对穿锚索半平面体力学模型

选取锚索托盘中间某点作为坐标原点建立坐标系，托盘左右两端距坐标原点距离分别为a、b。取锚索预紧力q=120 kN，锚索托盘尺寸为300 mm×300 mm，在预应力托盘作用区域内距坐标原点距离ξ处，取微小长度dξ，将这段微小长度所受的力视为微小集中力dF=qdξ，设岩体内部任意一点的坐标为(x，y)，该点与微小集中力dF的垂直和水平距离分别为x和y-ξ，微小集中力dF在岩体内部任意一点引起的应力为

(1)

为求出全部分布力所引起的应力，需要将各个微小集中力所引起的应力叠加，即对式(1)积分得

(2)

(3)

式(3)即为半平面体在边界上受法向分布力时，半平面体内部任意一点的应力状态。为了更直观地表达岩体内部应力的分布状态，采用三维绘图软件绘制半平面体内部任意一点的水平应力、垂直应力和剪切应力三维分布，如图2～图4所示。可以看出，当相邻锚索间距不变时，巷道交叉点岩体宽度越小，预应力作用对围岩应力的影响越大，尤其当岩体宽度<5 m更为显著；当巷道交叉点岩体宽度不变时，相对对穿锚索间距减小，预应力对围岩应力的影响变大。因此，在支护宽度较窄的岩体时，如巷道交叉点三角区支护，使用预应力对穿锚索支护可显著改善其应力状态。

图2 岩体内部水平应力三维分布

图3 岩体内部垂直应力三维分布

图4 岩体内部剪切应力三维分布

1.2 数值模拟结果分析

为了研究预应力对穿锚索加固围岩的效果，使用数值模拟软件建立预应力作用影响计算模型，分析巷道交叉点围岩在预应力作用下的应力状态，揭示预应力对穿锚索与围岩之间相互作用机理。数值模拟计算得到的应力变化如图5所示。数值模拟结果显示，在锚索托盘底部出现明显的应力集中现象，且不同锚索之间预应力相互叠加，锚索之间的压应力区连成整体，产生预应力叠加效应，形成有效的预应力增强区。

图5 预应力作用下岩体的应力状态

2 巷道交叉点岩体加固原理

对穿锚索的预应力同时作用于交叉点岩体的两侧，控制巷道交叉点岩体中裂隙扩展，可改善岩体的力学性能[12-14]。随着锚索主动向巷道交叉点岩体施加预应力，同时伴随围岩变形，预应力作用效果进一步提高，在岩体内部预应力增强区作用下，发挥交叉点岩体的自身承载能力，控制塑性区发展，保持岩体处于弹性变形状态，减小围岩变形。

(1)改善交叉点围岩应力状态。预应力锚索对岩体产生压缩应力，在岩体内部产生压应力集中区，并通过预应力叠加形成预应力增强区，起到对抗围岩变形应力的作用。

(2)防止裂隙扩展。由于预应力锚索作用于岩体表面，增大了裂隙岩体之间的摩擦力，控制了裂隙的进一步扩展，同时锚索还可在一定程度上控制岩体剪切滑移。

(3)提高围岩自身承载能力。由于巷道交叉点断面大，顶板冒落风险大，加固后巷道交叉点岩体充分发挥对顶板的支撑能力，对围岩稳定性起到重要作用。通过预应力锚索加固巷道交叉点岩体，形成整体锚固结构，能更好地发挥围岩自身承载能力在围岩控制中的作用。

3 工程应用

3.1 工程概况

实验巷道埋深约360 m，主要布置在泥岩和细粒砂岩岩层中，硬度系数f在2.5～5，顶板为深灰色沙质泥岩和灰白色中粗粒砂岩；底板为深灰色砂质泥岩和细粒砂岩。实验巷道顶底板岩层特性如表1所示。

表1 实验巷道顶底板岩层特性

3.2 支护参数设计和施工工艺

巷道交叉点岩体在常规锚杆支护的基础上，采用φ17.8 mm的锚索进行巷道交叉点岩体加固，长度根据巷道交叉点岩体宽度确定，对穿锚索间排距为1 600 mm×1 600 mm，锚索托盘尺寸为300 mm×300 mm，与锚杆十字交错布置。主要施工步骤如下：

(1)钻孔。受岩体结构和对穿锚索预应力作用的影响，锚索钻进时要保证钻孔水平，钻孔偏斜率不大于5%。钻孔水平有利于减小对穿锚索预应力损失，避免应力过度集中，提高围岩控制效果。

(2)预应力锚索安装。根据加固的岩体宽度不同，采用张拉机具施加预紧力，设计锚索预紧力为100～150 kN。锚索安装要保证锚索锁体平直，锁具锁紧。

(3)注浆和锚头保护。对穿锚索施加预应力安装完成后，采用水泥浆进行封孔，提高锚索与岩体的整体性。锚索外露长度不小于200 mm，并采用粗铁丝对相邻外露锚索进行连接，加强对岩体和锚索变形的监测，防止锚索突然断裂造成生产安全事故。

3.3 支护效果分析

巷道交叉点采用锚杆支护结合对穿锚索加固后，巷道交叉点岩体保持基本稳定，掘进时产生的裂隙未继续扩展，交叉点巷道顶板及两帮整体性良好，未出现明显的矿压显现和巷道变形，巷道交叉点围岩控制状态基本满足矿井安全生产的要求。

4 结论

(1)通过建立半平面体力学模型，计算半平面体内部的应力分布状态，在支护宽度较窄的岩体时使用预应力对穿锚索支护，可显著改善其应力状态。当岩体宽度<5 m时，预应力作用对巷道交叉点岩体应力状态具有显著影响，且巷道交叉点岩体宽度越小，预应力对穿锚索的影响作用越大。通过数值模拟分析预应力锚索与围岩之间的相互作用机理，预应力锚索压应力区连成整体，产生叠加效应，形成有效的预应力增强区。

(2)通过改善巷道交叉点围岩应力状态，可控制裂隙扩展，减少岩体剪切滑移，形成整体锚固结构，提高围岩自身承载能力。

(3)巷道交叉点采用锚杆支护结合对穿锚索加固的方法进行支护，取得了良好的应用效果，对巷道交叉点支护、窄煤柱加固等矿山开采实践具有一定的借鉴意义。