基于支护预应力场的松软围岩锚杆支护护表构件优选

周逸群，林 健，任 硕，吴建星，王正胜

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013； 2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013； 3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

锚杆配合护表构件支护是当前煤矿掘进巷道最主要的主动支护形式，是控制巷道围岩变形的最优手段[1-2]。若主动支护达不到效果，则易出现片帮、冒顶、底鼓等巷道局部失稳、破坏现象[3-4]。为了精细化提升锚杆支护效果，以康红普院士为代表的学者们提出支护应力场的概念[5-7]。支护应力场是指支护在围岩中的应力场与支护体内部产生的应力场。针对锚杆支护，在施加预紧力后，由预紧力作用于围岩而产生的应力场称为支护预应力场。研究支护预应力场是弄清围岩体与锚杆相互作用的基础，而预应力作为锚杆主动支护最核心的参数，其能否在围岩中有效扩散是衡量锚杆主动支护成败的关键。对此，学者们做了大量工作。康红普等[8-9]利用FLAC3D软件，得出锚杆支护过程各参数对支护预应力场分布扩散的影响；李怀珍等[10]对不同边界约束下锚杆段承载特性进行了研究，建立了煤帮锚固单元体、锚固围岩受力和锚杆受力力学模型；马国军等[11-13]利用数值模拟方式对锚杆单元进行了研究，得出了巷道支护应力场的巷道尺度状态；徐付军[14]等模拟了固定预应力下锚杆长度与主动支护之间的关系，并通过支护预应力场的分布提出锚杆支护密度、角度的合理布置方式；刘超儒[15]通过viscoelastic蠕变模型，探究了时间对支护应力场的影响；林健等学者[16-17]利用相似模试验建立了支护预应力场模型，对单类岩层锚杆预应力的分布形态进行了系统研究；王洪涛等[18]等采用利用弹性力学空间问题中集中力作用于地基内部的R.Mindlin应力解得出了锚杆支护预应力场的分布规律。上述学者以理论和模拟的方式有力促进了支护预应力场指导现场实践，但应力场分布规律多以巷道尺度展现，或以小比例相似模拟进行测试，缺少对预应力场的精细划分和研究。本文以石窟煤业3号煤层松软围岩巷道为工程背景，通过实验室仿真试验探究不同锚杆支护构件在支护围岩中预应力场的分布异同，通过细致对比预应力场分布差异实现松软破碎围岩条件下锚杆支护护表构件优选，指导现场实践。

1 石窟煤业地质力学条件

石窟煤业3号煤层巷道沿煤层底板掘进，因周边存在部分老旧空巷，在过空巷掘进时常出现巷帮围岩裂隙发育、松软破碎等问题，导致部分锚杆支护预紧力达不到要求，甚至部分区域巷帮出现了较大变形，影响矿方正常生产。通过在巷道周边进行全面地质力学测试，测试结果如图1所示。

图1 围岩强度及结构窥视Fig.1 Strength test and structure observation of surrounding rock

(1)测点最大水平主应力值为15.68 MPa，最小水平主应力值为8.06 MPa，垂直应力值为7.14 MPa，地应力场在量值上属于中等应力值区域。最大水平主应力方向N37.6°E，与掘进巷道一致性较好。

(2)通过围岩强度及结构窥视，测点顶板以上0～3.2 m为3号顶煤，强度平均值为16.86 MPa，部分区域松软破碎。如图1(c)所示，顶板0～1.6、2.4～2.7 m时，煤体明显出现裂隙发育及破碎现象；顶板3.3～4.8 m为泥岩，强度平均值为40.30 MPa；顶板4.8～10.0 m为细砂岩，强度平均值为68.56 MPa；帮孔煤体强度为12～16 MPa。

综合以上情况，结合现场支护调研分析，石窟煤业3号煤层巷道托顶煤且因周边空巷影响导致围岩浅部松软破碎，目前巷道锚杆采用钢筋托梁作为护表构件，现场部分钢筋托梁已压入松软围岩当中，导致存在锚杆预紧扭矩随时间逐渐下降的情况，同时预应力在围岩中扩散较差，这是巷道出现较大变形的主要原因。所以，必须针对松软围岩，采取有效措施，使锚杆预应力扩散效果得到提升，从而达到有效控制围岩的目的。

2 支护预应力场仿真试验

2.1 仿真试验台搭建

为了细致探究更有利于锚杆支护预应力场扩散的护表构件，设计了1∶1比例的锚杆支护预应力场仿真试验台，试验台尺寸为3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm的长方体，为更好契合井下松软围岩条件，通过前期配比试验，确定选取32.5号水泥，在水灰比0.81，灰砂比0.25的情况下制成水泥砂浆作为相似材料。相似材料应力—应变曲线如图2所示。

图2 相似材料应力—应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of similar materials

如图2所示，将制作好的砂浆试块在室内条件下养护28 d后进行抗压强度与弹性模量力学测试。其抗压强度16.45 MPa，弹性模量为3.27 GPa，较好的契合了现场锚杆支护范围内的围岩力学参数。

通过ZHC-35载荷传感器与YJZA-16智能静态电阻应变仪建立了预应力采集系统，通过在模型中预埋XYJ-2型混凝土应变传感器用于监测锚杆预紧状态下围岩的受力数值。传感器布置方式如图3所示，结合对称性，利用Surfer绘图软件可以得出锚杆支护预应力场的分布规律。

图3 锚杆支护预应力场仿真试验台Fig.3 Prestress field simulation test bed of bolt support

2.2 不同支护构件预应力场测试

100 kN预紧力下(锚杆长度2 400 mm，锚固长度445.1 mm)钢筋托梁和W钢护板作用下锚杆支护预应力场三维云图沿水平方向切片如图4所示，可以看出沿锚杆杆体轴线方向锚杆预应力场的整体规律：在锚固段(锚杆通过锚固剂与围岩粘结在一起)形成1个拉应力集中区域，在自由段(锚杆与围岩未通过锚固剂粘结)的两端各形成了1个压应力集中区域，即由锚杆上部向下部组成了“拉—压—压”的应力集中区分布格局。

对图4中各个区域应力峰值和范围进行测量，结果见表1。可以看出，不同支护构件作用的预应力场影响主要在于浅部托盘作用区域，在锚固段范围及自由段的上部支护预应力场分布规律基本一致，其峰值和分布范围未出现明显差别；在2根锚杆1 m间距同时作用下，二者围岩表面的应力峰值分别为0.8、0.6 MPa；钢筋托梁的围岩表面应力峰值高处W钢护板33.34%。

针对围岩内部应力分析，二者在自由段范围整体区域0.15 MPa压应力区面积分别为0.336 m2和0.476 m2，W钢护板压力范围高出钢筋托梁41.67%；自由段中部0.1 MPa压应力区均沿锚杆自由段贯通，中部宽度分别为204、705 mm；自由段中部0.05MPa区域宽度分别为835、2 100 mm，W钢护板对自由段中部的控制范围明显高于钢筋托梁。二者在自由段范围整体区域0.05 MPa压应力区域面积分别为3.38、3.95 m2，W钢护板压力范围高出钢筋托梁21.69%。综上所述，对于托盘作用范围的浅部围岩，钢筋托梁施加预紧力的方式为通过托盘挤压2根14 mm钢筋，由钢筋与围岩接触，因其护表面积很小，导致其在托盘中心位置出现较高的应力集中。产生的峰值高，但应力扩散效果和整体压应力的分布较差，而W钢护板作为大护表构件，表面应力分布更为平均，且应力扩散效果和整体压应力的分布范围明显优于钢筋托梁。以之前相关研究学者[17]惯用的0.05 MPa定义为锚杆支护的有效压应力，则在W钢护板作用下，基本实现了有效压应力在围岩浅层的全部覆盖。

图4 锚杆支护预应力场分布云图Fig.4 Cloud diagram of prestressed field distribution of bolt supporting

表1 钢筋托梁与W钢护板锚杆预应力场情况比对分析Tab.1 Comparison and analysis of prestressed field of joist and W steel plate anchor

3 现场工业性试验

针对石窟煤业松软围岩锚杆支护巷道，在将支护构件由钢筋托梁变更为W钢护板后，通过安装了顶板、帮部锚杆测力计，用于锚杆受力状态的监测，得到锚杆工作阻力随着距离改变的变化情况。通过对测站锚杆应力监测可以得出，锚杆预紧力在34～82 kN，锚杆预紧力达到屈服强度的32%～78%，成功实现了GB/T 35056—2018推荐的锚杆屈服力30%～60%的高预应力支护范围，做到对围岩的主动支护，同时锚杆受力稳定，所有锚杆在服务期间均未超过其受力极限，支护系统可靠稳定。

通过设立2个位移观测测点得到巷道移近量与时间的关系如图5所示。

其中1号测点顶底板最大移近量达125 mm，两帮最大移近量为146 mm；2号测点顶底板最大移近量为169 mm，两帮最大移近量为141 mm；相通过安装顶板离层仪，得出顶板浅部离层最大值为9 mm，深部离层最大值为11 mm，总离层值为20 mm。总体，采用新护表构件后，实现了巷道围岩的有效控制，满足了矿方使用要求。

图5 巷道围岩观测结果Fig.5 Observation results of roadway surrounding rock

4 结论

(1)通过全面地质力学测试，石窟煤业掘进巷道变形的主要原因是由于在松软破碎围岩环境中锚杆配合钢筋托梁不能有效扩散预应力，对锚杆及其护表构件发挥主动支护作用起到了一定阻碍。

(2)根据仿真试验结论，在锚杆长度2 400 mm、锚固长度445.1 mm、预紧力100 kN时，不同护表构件在1 400～3 000 mm(锚固段及上方、自由段上部)支护预应力场分布规律一致。不同支护构件作用下预应力场影响主要在于浅部托盘作用区域。

(3)在试验条件下，W钢护板作为大护表构件，产生的表面压应力峰值较钢筋托梁降低25%，0.15、0.05 MPa压应力区域面积较钢筋托梁分别增加41.67%、21.69%。应力扩散效果和整体压应力的分布范围明显优于钢筋托梁，基本实现有效压应力在围岩浅层的全部覆盖。

(4)通过矿压监测数据，测点顶底板最大移近量达125 mm，两帮最大移近量为146 mm，顶板浅部离层最大值为9 mm，深部离层最大值为11 mm，总离层值为20 mm，巷道相比原变形量得到大幅改进，满足矿方正常使用要求，说明通过变更构件，在松软围岩中有效发挥了锚杆主动支护效果，较好实现了松软围岩锚杆支护护表构件优选目的。