强采动锚索破断机制及让压控制技术研究

闫小军

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

综放煤层开采的回采巷道通常沿煤层底板掘进[1-3]，巷道顶板处于松软的煤层中，受锚杆长度的限制，通常采用锚杆索联合支护。锚索可以将浅部锚杆支护结构形成的组合梁[4]悬吊在深部稳定的岩体中[4-5]。然而，综放工作面开采强度大，强采动应力下，回采巷道顶板煤体裂隙发育并出现明显的离层现象[6]。此时，锚杆索的协同承载特性将会显著降低，当锚索承担的载荷超过其极限强度时，锚索破断引起支护体系的失衡极易引发巷道围岩大变形[7]，严重威胁工作面的安全生产。

本文以王庄煤矿91采区9106工作面运输巷为工程背景，利用FLAC3D建立数值计算模型，反演分析了厚煤层回采巷道的变形特征及锚索破断机制，提出了让压锚索支护技术并取得良好的现场实践效果，具有一定的指导和借鉴意义。

王庄煤矿9106工作面布置在3号煤层，9106运输巷沿煤层底板掘进，全长2 120 m，工作面布置见图1.3号煤层平均厚度6.45 m，直接顶为2.54 m的泥岩，属于软弱顶板；
基本顶为3.1 m细砂岩，直接底为0.88 m的泥岩；
基本底为2.15 m厚的细砂岩。

图1 9106工作面布置图

煤岩层综合柱状图见图2.9106运输断面矩形，宽×高=5.5 m×3.5 m，采用锚杆索联合支护方案，支护设计断面见图3.巷道顶板掘进支护采用的传统锚索延伸率低、易破断，极易引发巷道围岩的失稳灾变，严重威胁工作面的安全生产。

图2 煤岩层综合柱状图

图3 9106运输巷支护断面设计(mm)

2.1 数值计算模型

根据9106工作面煤岩层综合柱状图及生产地质条件，建立FLAC3D的数值计算模型，尺寸为：长×高=100 m×80 m，巷道开挖尺寸为宽×高=5.5 m×3.5 m，巷道支护参数如图4、图5所示。

图4 数值计算模型

图5 模型支护图

本次模拟本构关系选择为摩尔-库伦准则，模型顶部边界及两侧施加11.26 MPa的应力，模型底部边界位移固定。模拟过程中采用FLAC3D内置cable构件模拟锚杆及锚索。鉴于软件的内置cable不能实现锚杆索的破断效应，所以利用fish语言编程控制来实现对锚杆索长度、变形特征的监测，若锚杆索变形程度超过锚索变形最大延伸长度时，判定支护体已失效。锚索破断判据可以表示为：

(1)

根据上式，将Cable单元所处的不同时期状态分为三段：

1) 弹性段，该阶段为能达到锚索承受的虽大载荷，即变形程度及受力均未超过锚索所能承受的最大值，若锚索构建继续变形，锚索将进入塑性段。

2) 塑性段，该阶段锚索单元受力与锚索所能承受的最大载荷大小相同，而变形并未达到临界值，还能在此受力状态下继续变形。

3) 失效段(失效点)，该阶段锚索单元变形量大于锚索所能承受的最大变形量，锚索单元在此阶段将出现破断失效现象。

由上述分析将Cable单元的受力模型进行相应优化，实现图6所示效果：

图6 锚索结构单元修正预期效果

2.2 回采巷道变形特征

模型开挖支护并计算平衡后，提取巷道围岩位移云图及塑性区对锚索破断前后回采巷道位移变化规律及塑性区发育程度进行分析。

由图7可知：锚索破断前，巷道顶板的最大下沉量为105 mm，底鼓量为42.3 mm，两帮移近量最大值为94.3 mm；
锚索破断后，顶板下沉量超过1.5 m，巷道两帮移近量超过1.4 m，与支护体未破断时相比，巷道围岩变形增大量超过1 m，严重影响工作面正常生产。

图7 位移变化特征

由图8 可知：锚索破断后，巷道围岩塑性区顶板及靠近工作面一侧帮部破坏范围明显加大并向深部扩展，而底板破坏并无明显增加，巷道围岩的稳定性很大程度上依赖锚索的悬吊支护作用，当围岩离层总量超过其最大延伸量，锚索就会失去支护效果，发生破断，围岩进而失去支护，发生强烈变形。

图8 塑性区发育程度

2.3 锚索破断机制

通过提取回采过程中锚索的轴力变化曲线绘制如图9所示的锚索全过程受力曲线。

图9 锚索全过程受力曲线

由图9可知：在工作面回采产生的强采动应力影响下，巷道支护体系所受载荷迅速增大，并先后达到破断载荷，此时受力为0 kN，且在工作面采动作用下，巷道顶板未采动侧最外围锚索发生破断失效，随后顶板中央位置锚索也发生破断失效，顶板采动侧锚索最后出现破断。工作面采动后，锚索支护范围岩层的离层值对锚索的破断效应具有较强的敏感性。鉴于支护体破断失效与其杆体延伸率大小有着直接的联系，所以以提升支护体延伸率来实现对巷道围岩良好的控制效果。

针对王庄煤矿9106运输巷顶板锚索支护中索体延伸率小、易破断而造成巷道支护效果差、支护材料浪费等现象，提出吸能让压锚索技术。

3.1 让压锚索控制机理

让压锚索结构简单、安装方便、成本较低，锚索具有恒阻高、伸缩量可调、延伸量较大、支护强度高等特点，让压锚索如图10所示。

图10 让压锚索示意

让压锚索工作时，围岩变形挤压让压装置，让压装置产生压缩变形，再把力传给锚索体，锚索体受拉产生拉伸。让压装置弹性模量小于锚索体，因此让压管具有更大的变形能力，让压锚索与普通锚索的应力-变形关系[8]如图11所示。

图11 锚索应力-变形关系

由图11可以看出，围岩变形达到S1时，传统锚索的应力σ1要大于让压锚索的应力σ2；
当让压过程结束后，S1-S2即为让压锚索产生的让压距离。可见，让压锚索可以在一定程度上降低顶板的离层和下沉导致锚索破断进而引发巷道围岩垮塌的可能性。

3.2 支护方案

9106运输巷锚索吸能让压支护技术参数设计如图12所示。将支护设计方案应用于9106运输巷现场实践，对巷道围岩变形及锚杆索受力情况进行连续30 d的实时监测，监测结果如图13、图14所示。

图12 让压锚索支护断面设计(mm)

从图13可知，随着距掘进迎头距离的增加，巷道表面围岩收敛变形量逐渐增大，顶板下沉量为32 mm，底鼓量最大值为30 mm，两帮移近量最大值为36 mm，巷道整体变形量在合理范围内。

图13 巷道表面变形情况

由图14可知，在0～8 d内，锚杆索所受载荷迅速上升，在8～30 d内锚杆索受力趋于稳定，其变化相对平稳。监测过程中未发生锚杆及锚索破断等严重威胁巷道围岩稳定的现象，说明让压锚索技术能够降低锚索破断的风险，具有良好的支护效果。

图14 锚杆索受力特征

1) 建立FLAC3D数值计算模型，将锚索破断判据嵌入到FLAC3D计算模型中，分析了强采动应力影响下，巷道围岩变形特征及锚索破断机制。

2) 分析了让压锚索控制机理，并将让压锚索支护技术应用于现场实践，监测结果表明，让压锚索支护效果良好，具有较好的工程指导意义。

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