锚杆锚索变形匹配技术在巷道支护中的运用

摘 要： 针对锚索延伸率小、不能适应巷道大变形、与锚杆支护力学性能不匹配的缺点，采用理论分析、数值计算和工程实践的方法，研究了锚杆一锚索支护作用变形互补原理及深井软弱破碎围岩煤巷预应力锚索支护工程特性；给出了两個关键指标：锚索的承载能力和延伸量，分析了锚杆一锚索支护失败的原因，给出了结合计算机数值模拟和巷道稳定性监测的锚杆一锚索支护设计方法。提出了增加锚索延伸量的技术方法，包括：合理确定锚索位置，滞后安装锚索和安装木垫板。研究成果在邢东煤矿应用中取得了良好的技术经济效果。

关键词： 锚杆一锚索；工程特性指标；互补原理；支护设计

【中图分类号】 K826.16

【文献标识码】 B

【文章编号】 2236-1879（2017）15-0214-02

由于深井煤巷围岩软弱破碎，当采用锚杆与锚索联合支护时，由于对其作用机理认识不足，支护设计缺乏可靠依据，使锚杆一锚索支护的可靠性得不到保证，例如，某矿区一些巷道就因此而发生过锚索被拉断造成冒顶事故。为保证矿井巷道顶板安全，有必要进行锚杆一锚索互补原理及其设计方法的研究.

1 煤巷小孔径预应力锚索的工程特性

由图1曲线1可见，巷道支护体载荷与围岩变形量近似呈双曲线关系，即在巷道变形初期，阻止巷道变形、支护体载荷将急剧增大，因此，巷道支护体必须同时具备较大的承载能力和一定的可缩量。以满足巷道围岩一支护的特性。对于煤巷预应力锚索支护，上述两个重要指标是锚索的承载能力及延伸量。当前普遍应用悬吊理论进行锚索支护设计或检验，而且一般仅考虑锚索承载能力这一指标，忽视了锚索延伸量指标。如果锚索的延伸量不能适应巷道围岩变形，锚索将被拉断。

可见，锚索的实际平均极限拉力仅是钢绞线平均极限破断载荷的84.8%；钢绞线的延伸率是3.5%，而锚索的延伸率是钢绞线延伸率的51%，表明锚索支护设计按钢绞线的破断载荷和延伸率考虑是不可靠的。

现场锚索使用延伸量指标较直观，锚索的延伸量或延伸率与预紧力及锚索自由段的长度有关，因而，以锚索可利用的延伸量（或称为锚索工程延伸量）作为指标更便于支护设计使用。

2 锚杆一锚索支护作用的匹配原理

为了说明锚杆一锚索联合支护的作用，根据锚杆支护的锚固平衡拱原理，将锚杆及其锚固范围内的围岩作为巷道的支护体（锚岩支护体），把锚索作为加强支护，通过分析围岩与支护体的相互作用关系，研究锚杆一锚索联合支护的作用原理。

图l为巷道围岩一支护相互作用原理图。由图1可见，在软弱破碎围岩条件下，巷道围岩的变形量很大，巷道开挖后立即采用锚索支护会因锚索延伸量超过极限而破断。因此在巷道开挖初期只安装锚杆，通过锚杆的加固作用，锚岩支护体具有一定的承载能力，允许围岩发生较大变形，释放围岩变形能，围岩在一定变形范围内可以保持自身稳定。随着围岩变形量增大，锚岩支护体的承载能力和自稳性降低，当锚岩支护体的自稳性达到极限之前、围岩剩余变形小于锚索工程延伸量时，安装锚索即在图1中点B安装锚索，减少了围岩对锚索延伸量的要求，保持锚岩支护体和围岩稳定。图1中，曲线1与曲线2交于点G，与曲线3交于点H，表明锚杆锚索联合支护提高了支护阻力，减小了巷道围岩变形。锚杆和锚索各自发挥了自身的优势。在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主，从而大大改善了锚杆支护的整体支护性能，达到控制围岩大变形的目的。因此，将此支护作用原理称之为锚杆一锚索支护作用的互补原理。

在实际工程中，锚杆一锚索联合支护是否能实现锚杆与锚索支护作用的互补性取决于采用的支护方法和合理的支护设计，它要求将锚岩支护体的特性与锚索的力学特性有机地结合起来进行总体支护设计。在支护设计中，应根据巷道围岩条件，采用合理的锚杆支护形式和参数，选择与之相匹配的锚索支护参数，这是锚杆一锚索联合支护的关键。

3 锚杆一锚索支护应用

3.1 设计方法及步骤。

按照初始设计一工程监测一修正设计的过程进行设计口。初始设计采用以离散元数值计算方法为主，结合理论计算和工程类比法，通过多方案选优作为井下施工方案。按照锚杆一锚索支护作用互补原理，锚索支护参数设计除了需确定锚索的锚固深度和悬吊能力外，必须验算锚索的延伸量是否与围岩变形相适应。

1）建立数值计算模型.应用工程类比法，参照已有工程或类似条件工程的支护效果（支护参数和围岩变形破坏状态），对数值模型中难以测取的力学参数进行调整，使数值模拟结果基本符合已有工程或类似条件工程的实际状态。

2）改变锚杆支护形式和参数，选用支护效果较好的锚杆支护方案和参数.通过数值模拟计算，得到锚杆支护允许的顶板最大下沉量。因为松动破坏区只是塑性区的一部分，不能将数值计算得到的围岩塑性区作为松动破坏区，结合围岩应力和位移判断围岩松动破坏区范围。

3.2 锚索适应围岩变形技术。

为了达到锚杆和锚索支护作用互补，可改变锚索支护工艺、支护结构和利用锚杆支护巷道的围岩变形特点，提高锚索的适应性。

1）采用木垫板提高锚索的抗变形能力。一般木垫板可增加锚索适应围岩变形量30～50 mm。虽然使用木垫板减小了锚索支护初期的刚度。但是，木垫板的抗压强度大，在锚索较大的支护阻力下，锚岩支护体有控制的发生变形，释放围岩变形能，减小锚索载荷，增加锚索的延伸量。

2）滞后掘进迎头安装锚索。在顶板达到最大下沉量之前安装锚索，关键是掌握顶板失稳前的最大下沉量，这不仅与顶板的岩石性质、节理构造有关，也与锚杆的支护参数，巷道形状与跨度有关。

结语

1）提出了煤巷预应力小孔径锚索工程特性的两个重要指标，推导得到了锚索的承载能力（破断力）及锚索延伸量的计算式，为锚索支护设计提供了重要依据。

2）提出了锚杆一锚索支护作用的互补原理.在巷道开挖初期，以锚杆柔性支护为主，后期以锚索悬吊作用为主，将锚岩支护体的特性与锚索的力学特性有机地结合起来，达到支护大变形巷道的目的。

3）研究并提出了包括合理确定锚索位置、滞后安装锚索和使用木垫板等3项提高锚索延伸量的工艺方法。

参考文献

[1] 赵庆彪.深井破碎围岩煤巷锚杆一锚索协同作用机理研究ED].北京；中国矿业大学资源与安全工程学院，2004.

[2] 陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1995.

[3] 侯朝炯，郭励生，勾攀峰，等.煤巷锚杆支护[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

作者简介：郑振华，男（1992.11—），汉族，河南汝州人，本科学历，毕业于中国矿业大学应用技术学院，助理工程师。

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