巷道预应力锚杆支护参数设计与应用研究

刘永宏

（山西兰花百盛煤业有限公司项目办，山西 高平 048408）

引言

随着煤炭需求量的不断增加，井下煤炭掘进与开采工作的强度和规模不断扩大，对巷道支护要求越来越高[1-2]。大型掘进设备的发展和应用及煤炭掘进巷道的截面尺寸剧增，对巷道围岩的稳定性要求提出了更高要求，也是大断面巷道支护亟待解决的技术瓶颈[3]。大断面巷道支护的难点主要是煤炭周围的围岩极易出现松软破碎，采用普通的锚杆进行支护经常出现不能维持围岩稳定性问题，现已引起了煤炭行业的关注[4-5]。预应力锚杆的出现，为大断面巷道围岩支护工作提供了新的方法，其能够可靠抑制巷道围岩支护过程中的过大变形，确保围岩的稳定性[6]。针对某煤炭企业巷道大断面普通锚杆支护存在的问题，开展预应力锚杆支护参数设计与应用研究工作具有重要的意义。

1 预应力锚杆介绍

煤炭巷道断面采用普通的锚杆支护，出现了围岩变形较为明显的问题，主要的原因是普通锚杆工作时在围岩不发生变形之前不会起到支护的作用，只有在围岩出现变形之后才能使出支护效果，围岩的变形量越大，锚杆的支护效果越好。综上，普通锚杆支护可以被定义为被动支护。为了实现大断面巷道支护由被动支护变为主动支护，开始引入了预应力锚杆支护技术，以实现主动为巷道周围围岩提供支护力的效果，抑制围岩裂隙的发展，有效降低围岩变形破裂程度，提高围岩的自承载能力，达到良好的主动支护效果。

2 预应力锚杆扩散规律的数值模拟

引入预应力锚杆支护技术之后，为了探索预应力锚杆支护应用的规律性，借助有限元仿真分析方法，采用FLAC 3D数值模拟软件和Tecplot结果后处理软件，开展了预应力锚杆支护应力扩散规律研究。仿真工作开始前建立有限元仿真分析模型，巷道整体模型尺寸（长×宽×高）数值为16 m×40 m×16 m，整个模型分为五层，自下而上依次为细砂岩、粉砂岩、煤层、粉砂岩、中粒砂岩。仿真模型建立完成进行网格划分，统计得到的单元格数量为655 360，网格节点数量为718 250。为了能够清晰地表达出预应力锚杆支护效果，仿真时对围岩不施加原岩应力。模型中的巷道断面尺寸（长×宽）数值为4 m×3.5 m，对锚杆施加预紧力并运算至平衡后对结果进行分析。

2.1 锚杆长度对应力场的影响

锚杆长度作为锚杆支护过程中较为重要的参数之一，其对支护效果的影响较为明显，为了研究锚杆长度对锚固应力场的影响，仿真时设置锚杆的预紧力恒定，此处设置为100 kN，通过分析计算不同锚杆长度尺寸下的锚固应力分布情况，得到相应的规律性结论，以便更好地指导预应力锚杆支护参数的设定。

图1 不同预应力锚杆长度下的预应力场

图1给出了预应力锚杆支护长度分别在1.8 m、2 m和2.5 m时的应力场分布情况，由图1结果可以看出，随着锚杆支护长度尺寸的延长，有效压应力区的深度数值不断增大，进一步观察可以发现，预应力锚杆的尾部有效压应力数值受锚杆长度数值变化影响较小，而受到影响较为明显的位置是预应力锚杆中间部位，有效压应力的宽度数值降低较为明显。由此可见，预应力锚杆支护时，锚杆长度延长，有利于预应力向围岩深部的纵向扩散，与此同时，锚杆长度的提高会降低预应力在围岩中的横向扩散。根据理论分析及工程实践可知，煤炭巷道掘进断面锚杆预紧力一定时，锚杆长度尺寸不易过长，要保证支护效果合理的锚杆长度应深入稳定岩层内部0.2 m，长度尺寸一般控制在1.6～2.4 m范围内。

2.2 锚杆预紧力大小对应力场的影响

锚杆预紧力作为锚杆支护过程中另一个参数，其对支护效果的影响同样重要，为了研究锚杆预应力对锚固应力场的影响，仿真时设置锚杆的长度尺寸恒定，此处设置为2.0 m，通过分析计算锚杆不同预应力条件下锚固应力分布情况，得到相应的规律性结论，以便更好指导预应力锚杆支护参数的设定。

图2 不同锚杆预应力条件下的预应力场

图2分别给出了锚杆初始预紧力为60 kN、100 kN、140 kN条件下的应力场分布。由不同预紧力条件下锚杆应力场仿真分析结果可以看出，施加预紧力之后锚杆尾部出现了较大的压应力集中情况，压应力大小由锚杆尾部向围岩内部逐渐扩散。预紧力数值为100 kN条件时，锚杆尾部的最大应力数值为0.4 MPa，压应力数值随着锚杆的深入逐渐降低，最小应力数值为0.15 MPa，位置出现在锚杆的五分之二位置处，在一定的范围内形成对围岩的有效压应力区。进一步观察不同预紧力条件下锚杆预应力分布情况可得，随着预紧力的不断提高，压应力范围不断提高，即增大锚杆预紧力可以提高主动支护效果。

3 支护参数确定

根据以上锚杆支护过程中应力场的分布规律可得，随锚杆长度的增加，有效压应力区的深度数值不断提高，对尾部有效压应力数值影响较小，而对锚杆中间位置有效压应力数值降低较为明显。随着锚杆预应力数值的提高，能够提高主动支护效果。结合煤炭企业内部预应力锚杆支护的需求，由于锚杆长度和预应力过大或者过小均对预应力锚杆的支护效果带来不利影响，故而确定了预应力锚杆的长度尺寸数值为2.0 m，预紧力数值设置为100 kN。

4 应用效果分析

为了验证预应力锚杆支护技术及参数设置的应用效果，在煤炭巷道断面开展预应力锚杆的应用，跟踪记录锚杆支护过程中巷道断面的变化情况。结果表明，预应力锚杆支护工作较为稳定，取得了主动支护的效果。统计结果显示，相较于普通锚杆支护，预应力锚杆支护技术的引进，使煤炭巷道顶板位置的月沉降量降低了近11%，巷道左侧帮月膨胀位移数值降低约8%，巷道右侧帮月膨胀位移数值降低约7%。由此可见，预应力锚杆支护技术，能够提高煤炭巷道内部锚杆支护的可靠性，保证巷道内部作业的安全性，取得了很好的应用效果。