层状顶板巷道锚索破断机理

李 鹏，来兴平，沈玉旭

(1．西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.山西能源学院 矿业工程系，山西 晋中 030600)

0 引 言

煤矿巷道处于煤系地层中，其顶板往往具有层状结构的特性[1-3]，此类巷道开挖使用过程中，巷道顶板受力特性类似板的弯曲，加之顶板岩层之间因剪切错动而发生剪胀现象[4-6]，使得巷道顶板发生下沉，并伴随锚索的破断失效，而锚索支护对于巷道顶板的稳定性起到非常关键的作用[7-8]，因此给矿井的安全高效开采带来诸多隐患。目前国内外学者针对层状顶板巷道的变形破坏及支护技术和锚索的承载特性进行了大量研究，但对层状顶板与锚索的相互作用导致锚索破断鲜有研究，如王松阳研究了水渗流对薄层复合顶板的弱化影响[9]；吴新选等针对“三软”复合顶板提出了让均压支护技术，并在王村煤矿13503工作面进行了工业性试验，试验结果表明复合顶板巷道围岩变形得到有效控制[10]；惠功领等通过卸压让压耦合支护技术实现了对高应力复合顶板巷道的合理支护[11]；蒋力帅等对复合层状顶板的岩层结构做了分类并对冒顶隐患进行了评价分级[12]；吴德义等分析了原岩应力、巷道宽度、复合顶板岩性、复合顶板厚度及结构面黏结力和内摩擦角等因素对复合顶板离层的影响程度[13]；孟庆彬等针对深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷易冒顶、大变形、难支护等特点，提出了兼具组合梁和组合拱承载效应的梁-拱锚固承载结构，有效维持了深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩与支护结构的稳定及安全[14]；康红普等基于实验室进行的4种常用锚索钢绞线的拉伸试验和5组锚索托板的压缩试验，得到了不同锚索的力学性能参数[15]；杨仁树等建立了一套锚索双剪试验系统，对预应力锚索的剪切力学特性进行试验研究表明预应力锚索的剪切破断为横向剪切与轴向拉伸共同作用的结果[16]；李金华等基于B Benmokrane三阶段线性函数建立锚固体与孔壁界面的剪切滑移本构模型，采用荷载传递函数法，对预应力锚索内锚固段剪应力沿轴向的分布规律进行了理论研究[17-18]；王卫军等通过现场勘查与理论分析，认为软弱厚层直接顶板锚索孔施工过程中的变形和安装过程对锚固剂的破坏是导致锚索支护失效的主要原因并提出了基于厚层软弱直接顶的新的锚索参数设计方法[19]；张农等将锚杆(索)支护失效形式划分为粘结失效型、围岩失效型、杆体破断失效型、护表构件失效型等4类，在此基础上，提出锚杆杆体强化、护表构件性能提升、树脂锚固剂性能改造、围岩滞后注浆等4项技术控制锚杆(索)支护破坏失效[20]；董恩远等针对巷道支护失效形式，分析了考虑围岩蠕变的锚固时空效应，提出了基于可接长锚杆的围岩控制技术[21]。

因此，采用理论分析、数值计算及现场试验等手段，分析层状顶板岩层层面应力及锚索工作形态的分布规律，确定层状顶板锚索的破断机理，并提出相应的治理措施。

1 工程背景

赵庄煤矿为晋煤集团新建特大型矿井，设计生产能力800万t/a，主采3号煤层。赵庄矿井下巷道，受顶板层理发育、埋深大、强采动、地质构造、淋水、断面尺寸大等叠加作用，在使用过程中，围岩变形较大，存在的巷道应力高度集中、支护材料及参数不匹配、巷道压力控制困难等问题，造成巷道顶板锚索断裂失效现象较多，锚索断裂失效率约为25‰，对此需花费大量人力物力进行处置，不仅严重干扰生产，而且带来安全隐患。

以井田内3盘区3308工作面为研究背景，工作面布置如图1所示，33082巷与33081巷间区段煤柱宽度为40 m，工作面内3号煤层厚度一般为3.5～6.2 m，平均5.5 m，煤层倾角1～15°，平均8°，煤层埋藏深度600 m，煤层直接顶主要是层理发育的砂质泥岩，老顶为中砂岩。顶板岩层结构及岩石物理力学性质见表1。

表1 顶板岩层结构及岩石物理力学性质

图1 3308工作面布置

赵庄煤矿3308工作面回采巷道设计采用全锚索支护顶板，工作面3条平巷在掘进一段距离后均出现不同程度的锚索破断现象，如图2所示，锚索破断形态一般呈弯曲劈裂状，无明显颈缩现象，破断位置主要位于巷道表面以里1～2 m的位置。

图2 3308工作面巷道顶板锚索破断失效特征

2 层状顶板层理面应力解析

为揭示层状顶板锚索破断机理，首先应对巷道顶板岩层层理面上的应力分布规律进行分析，为此将矩形巷道的外接圆视为圆形断面，根据双向等压圆形巷道的应力分布解析解及转换方程求得顶板层理面法向与切向应力解析解。

图3 双向等压巷道顶板层理面力学模型

根据圆形巷道的双向等压受力状态的应力解析解[2]可知

(1)

(2)

则巷道顶板层理面上的法向与切向应力分别为

(3)

(4)

则有

(5)

式中σθ为切向应力，MPa；σr为径向应力，MPa；σ为顶板层理面上的法向应力，MPa；τ为顶板层理面上的切向应力，MPa；p为静水压力，MPa；a为矩形巷道外接圆半径，m；r为圆弧体内径到外接圆圆心距离，m；θ为转角，(°)；h为顶板层理面距巷道中心的距离，m。

式(5)解析结果表明，巷道顶板岩层层理面上的剪应力τ的分布规律与顶板层理面距巷道中心的距离h、巷道半径a、转角θ和法向应力σ有关，当θ=0时，巷道顶板岩层层理面上的剪应力τ=0。由此说明，巷道跨中顶板岩层层理面上的剪应力为零；顶板岩层层理面上的剪应力会随层理面高度h值的增加而降低，会随巷道半跨a值的增加而增加；顶板岩层层理面上的最大剪应力，发生在巷道两帮的支承区域范围，岩层层理面上的剪应力呈非均匀分布。

由此可以得出，锚固岩层中，在同一断面和同一层位的不同部位，锚索所承受的剪应力不同；同一断面和同一部位的不同层位上索所承受的剪应力也不同。锚索的布置方式和几何参数，应与顶板岩层层理面上的剪应力分布规律相适应，以提高其支护效率，减少锚索的破断失效。

3 层状顶板锚索破断数值模拟

3.1 模型建立

以赵庄矿3308工作面33082平巷为研究对象，巷道断面尺寸为5 m×4.5 m，各岩层物理力学性质参见表2，顶板支护采用全锚索支护，锚索长度6.4 m，锚索间距1.1 m；建立包含层理的FLAC3D数值模型，模型尺寸为40 m×30 m×1 m，模型侧面限制水平位移，底面固定水平及竖直方向位移。使用Interface单元模拟岩体中的层理不连续面，数值模型中Interface结构单元参数见表2。使用Cable结构单元模拟锚索并施加预紧力，每根锚索建立64个结构单元，65个节点，在模拟过程中将锚索尾部的节点进行刚性约束来模拟锚索托盘及锁具[22-23]。埋深按600 m计，模型顶面施加15.0 MPa的上覆岩层压力，侧压系数为1单元格由外及里逐渐加密，模型共计11 180个单元，数值模型如图4所示。

表2 数值模型中Interface单元参数

图4 数值模型

3.2 数值模拟方案设计

基于上述数值模型进行数值模拟试验，设置了层状顶板厚度、顶板层理不连续面数量、锚索预紧力大小3个维度的正交试验组，计算方案见表3。

表3 数值模拟方案

3.3 数值模拟结果分析

利用FLAC3D中的List命令可以调出锚索单元每个节点的位置坐标，将其坐标导出后，在Origin中绘制锚索工作形态图，如图5所示，这样就可将处于工作状态的锚索可视化、数据化，方便判断锚索破断失效的位置及锚索的变形程度，由于模型具有对称性，分析时仅选取锚索1，2，3。

图5 锚索工作形态

首先从整体分析可知，位于巷道跨中的锚索3的工作形态几乎不发生水平偏移，而位于巷道一侧的锚索1，2均发生较明显的水平偏移，且水平偏移量锚索1>锚索2，由于锚索的承载特性为抗拉不抗剪，当发生较大水平偏移时可认为锚索受层理面错动剪切发生破断失效，印证了前文分析所得结论即巷道跨中顶板岩层层理面上的剪应力为零，顶板岩层层理面上的最大剪应力，发生在巷道两帮的支承区域范围，岩层层理面上的剪应力呈非均匀分布。其次对各实验组进行横向对比可知，随着层状顶板厚度的增加锚索工作形态的水平偏移量增加，且锚索开始发生水平偏移的位置与层状顶板的厚度基本保持一致；随着层理数量的增加锚索的工作形态由“光滑型”向“锯齿形”转变，表明层理面数量的增加使得锚索受剪切的位置增多；随着锚索预紧力的增加，锚索的水平偏移量减小。

为对正交实验组进行纵向对比，并更加清晰的分析锚索的水平偏移量，选取各试验组中锚索1的坐标进行放大，如图6所示。若将锚索水平偏移量作为衡量锚索破断指标，由图可知，对锚索破断影响程度排序为层状顶板厚度>层理数量>锚索预紧力，由此可知，通过提高锚索预紧力，增加层理面之间正应力，减少层理错动达到近似减少层理面的效果[24-25]，将层状顶板厚度为2 m锚索1的直接顶0层理，锚索预紧力250 kN模拟方案与直接顶5层理，锚索预紧力50 kN模拟方案锚索工作形态进行对比，如图7所示，可知锚索水平偏移量分别为65.8 mm和118.98 mm，偏移量减小约45%，因此提高锚索预紧力能够有效防止锚索破断。

图6 锚索1工作形态放大

图7 锚索预紧力作用效果对比分析

4 层状顶板锚索破断机理及井下治理试验

综合以上分析可知，层状顶板锚索破断的根本原因是锚索受层状顶板各层理岩层错动影响，导致锚索在受较大拉应力的条件下，同时受到岩层剪切作用所致，而埋深、巷道断面、井下水、采动应力、支护参数等影响因素通过叠加均扮演着加剧这种柔性剪切的角色，叠加因素越多锚索就更易发生破断失效。

为减少锚索的破断失效应减少层间剪切错动和离层，为此提出了“利用高强接长锚杆支护帮角，变全锚索支护为锚杆锚索分区协同支护”策略对赵庄矿33082巷支护方式进行了设计并开展了工业试验，试验段支护方案如图8所示，观测结果如图9所示。其中，顶板采用MG500的螺纹钢可接长锚杆，总长4 400 mm，预紧力500 N·m；采用1×19结构的锚索，锚索直径21.8 mm，长度6 400 mm，预紧力300 kN。

图8 支护方案

图9 试验段测站布置及现场观测结果

在变全锚索支护为高强接长锚杆与锚索分区协同支护后，在巷道顶板帮角高剪应力区域采用高强接长锚杆支护，充分发挥了锚杆刚度大具有较高抗剪切的能力，巷道顶板中部区域仍采用锚索支护，避开了高剪应力区，发挥其高承载力的同时减少了锚索破断失效的可能性。

如图9所示，现场观测表明赵庄矿33082巷道试验段从掘进到工作面推进至测站位置，累计顶板下沉量为397 mm，通过在监测初期和末期的钻孔窥视可知在支护范围内顶板完整性良好，表明顶板刚度支护后显著提高，进而有效的控制层状顶板的离层与错动，同时试验段巷道监测期间没有再发生锚索破断现象，验证了支护方案的可行性。

5 结 论

1)层状顶板岩层层理面上的剪应力呈非均匀分布，巷道跨中顶板岩层层理面上的剪应力为零，顶板岩层层理面上的最大剪应力，发生在巷道两帮角的支承区域范围。

2)将锚索水平偏移量作为衡量锚索破断指标，锚索发生破断失效的可能性与层状顶板厚度及层理数量呈正相关，与锚索预紧力呈负相关。

3)层状顶板锚索破断的根本原因是受各层理错动的柔性剪切所致，埋深、巷道断面、井下水、采动应力、地质构造等影响因素通过叠加均扮演着加剧这种柔性剪切的角色，叠加因素越多锚索就更易发生破断失效。

4)现场试验表明，在变全锚索支护为高强度接长锚杆与锚索分区协同支护后，赵庄矿33082巷道试验段顶板刚度显著提高，试验段巷道服务期间未发生锚索破断现象。