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【摘 要】以龙东矿7162回采巷道为工程背景，指出该巷道原支护存在预应力小、支护刚度低等问题，采用FLAC3D模拟了巷道顶板在预应力锚杆支护作用下的应力场分布特征，研究得出预应力及其扩散是锚杆支护发挥主动锚固作用的关键性因素，并在此基础上提出运用动态信息设计法，对原支护参数进行优化并应用于井下，支护效果理想。
【关键词】厚煤层；松散煤层巷道；预应力锚杆支护
1前言
我国是一个厚煤层储量大国，据探明，厚煤层（厚度≥3.5m）的储量占我国现有煤炭储量45%左右[1]。以江苏大屯煤电公司龙东矿为例，该矿主采7#煤层，平均厚度6.01m，最大厚度达7.40m，属于典型的厚煤层矿井。煤层厚的特点决定了该类型煤层的矿井中沿底掘进的巷道必然以全煤巷道居多，而由于煤体松散、强度低、两帮及顶板容易变形等原因，煤巷围岩控制较岩巷困难。煤巷围岩控制形式多种多样，目前应用最普遍是锚杆支护。实践表明，锚杆支护是煤巷唯一经济、有效的支护技术[2，3]，是煤矿实现快速掘进的关键技术之一。随着对预应力在巷道支护系统中的重要作用的逐步认识[4～6]，预应力锚杆支护技术近年来得到大面积推广应用。本文以龙东矿7162回采巷道为工程背景，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，探究预应力锚杆支护机理，并在此基础上提出运用动态信息设计法，对原支护参数进行优化并应用于井下，支护效果理想。
2生产地质条件
龙东矿7162回采巷道位于本工作面南侧，埋深约200m，设计长度297m，沿7#煤层底板掘进，与北侧回风下山之间的净煤柱为25m，掘进期间会受到一定的动压影响。巷道平面布置如图1所示。
图1 7162回采巷道平面布置图
本采区主采7#煤层，平均厚度6.01m，最大厚度达7.40m，单轴抗压强度约8MPa，手抓即碎，属于典型的松软厚煤层。根据钻孔窥视结果（图2），巷道顶板以上0～3.4m为伪顶，煤，平均抗压强度8.52MPa；3.4～5.8m为直接顶，细粒砂岩，平均抗压强度45.80MPa；5.8～10m为老顶，粉砂岩，平均抗压强度35.66MPa。
图2 7#煤层顶底板综合柱状图
根据地质力学测试结果，7162工作面最大水平主应力σH=14.01MPa，方向N33.6°W；垂直主应力σv=4.6MPa。可见，该区域地应力场类型为构造应力场，水平应力占优势，对巷道顶底板影响较大。因此在进行巷道支护设计时，应加强巷道顶板的支护（必要时进行底板的支护），以保持巷道的长期稳定。
3松散厚煤层巷道预应力锚杆支护机理
随着计算机技术的飞速发展，数值模拟已经成为解决地质与采矿问题的有力手段，FLAC3D有限差分数值模拟软件[7]就是其中的一种。以龙东矿一采区胶带上山为模拟对象，采用FLAC3D对预应力锚杆支护对煤巷围岩的控制作用机理进行分析。
图3 7162回采巷道数值模型
根据7162回采巷道的地质和生产条件，建立如图3所示的三维数值模型。模拟尺寸：长×宽×高=10×20×23m，网格为10×20×50，划分为5层。模型计算选用摩尔—库仑准则，采用界面单元模拟岩层层面，采用pile结构单元模拟锚杆。模型的边界条件取为：四周采用铰支，底部采用固支，上部为自由边界。
根据预应力大小，分别模拟了巷道顶板在无预应力和100kN预应力作用下的应力场分布特征，结果如图4所示。
（a）预应力0
（b）预应力100kN
图4巷道顶板在有无预应力作用下的应力场分布
从图4（a）可以看出，预应力为0或过低时，锚杆支护产生的附加应力值小，形成的压应力区范围小，有效压应力区孤立分布，不能连成整体，锚杆支护在近零应力区[8]几乎没有加固围岩的作用。图4（b）显示，在高预应力下，锚杆支护产生的附加应力场应力值大，形成的压应力区范围广，有效压应力区几乎覆盖了整个顶板，整排锚杆间形成有机的整体，锚杆的主动支护作用得到充分发挥。由此可见，锚杆预应力及预应力的扩散是锚杆支护发挥主动锚固作用的关键性因素[1]。根据巷道条件确定合理的预应力，并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。比较合理的锚杆预应力取值范围应达到杆体屈服强度的30～50%[1]，且锚杆直径越大，强度越高，则锚杆预应力越大。单根锚杆的预应力作用有限，可以通过托板、钢带和金属网等护表构件将锚杆预应力扩散到范围更大的围岩中。
4松散厚煤层巷道锚杆支护方案
根据以上数值模拟结果，选择龙东矿7162回采巷道为试验对象，运用动态信息设计法[1]，对其进行参数优化，设计了高预应力锚杆锚索组合支护方案[9]。7162回采巷道断面形状为矩形，宽4.5m，高3.0m，具体支护参数为：
（1）顶板支护采用锚索网配钢筋托梁支护形式。锚杆为20#左旋无纵筋螺纹钢，屈服强度335MPa，长度2.4m，间排距1000×1000mm，采用兩支树脂锚固剂（一支规格为（CK+Z）2360，另一支规格为Z2360）加长锚固，设计拧紧力矩300N.m。锚索采用18.9mm、17股高强度低松弛预应力钢绞线，破断载荷大于1860MPa，延伸率4%，长度7.3m，间排距1500×2000mm，采用一支（CK+Z）2360和两支Z2360树脂锚固剂锚固，设计预紧力250kN。采用菱形金属网护顶，网孔规格50×50mm，网片尺寸4900×1100mm，网间搭接100mm。钢筋托梁采用14mm的钢筋焊接而成，宽度80mm，长度4200mm。
（2）巷帮支护采用锚网梁组合支护形式。锚杆规格同顶板，长度2.0m，间排距1100×1000mm，采用1支树脂锚固剂（规格为Z2360）加长锚固，设计拧紧矩300N.m。采用菱形金属网护帮，网孔规格50×50mm，网片尺寸2500×1100mm，网间搭接100mm。钢筋托梁采用14mm的钢筋焊接而成，宽度80mm，长度2400mm。 巷道支护布置如图5所示。
图5 7162回采巷道锚杆支护布置示意图
5矿压监测与支护效果评价
7162回采巷道采用上述支护方案施工200m后，在该巷道里面设置了三个矿压测站，对锚杆受力、顶板离层和巷道表面位移进行连续监测，结果如图6～8所示。图中锚杆锚索均为从巷道顶板左方向右方依次编号。
（1）锚杆受力监测锚杆的预紧力范围为20～60kN（8#预紧力约为87kN），其中3#、5#和11#预紧力不到30kN，其余均能满足设计要求。锚杆施加预紧力后，帮锚杆1#、2#、3#、10#、11#和顶锚杆8#的受力减小，其余锚杆受力均增大。距掘进工作面超过10m后，锚杆受力趋于稳定；帮锚杆的最终受力为16～39kN（10#为47.5kN），平均为33.4kN；顶锚杆的最终受力为52～78kN，平均为67.7kN。
图6锚杆受力监测变化曲线
（2）顶板离层监测在整个掘进期间，7162回采巷道浅部离层为4.5mm，深部离层为3mm，总离层值为7.5mm。这表明顶板离层值有限，说明高预应力锚杆锚索组合支护体系对深部顶板离层约束作用明显。
（3）表面位移监测7162回采巷道由开口到稳定，两帮移近量最终为25mm，为初始巷道两帮宽度的0.4%；巷道顶底板移近量最终为17mm，为巷道初始高度的0.5%，其中底鼓量为9mm，巷道底鼓量占顶底总移近量的53%。巷道变形最终在距迎头约65m以后趋于稳定。这表明表面位移较小，说明高应力锚杆支护很好地控制围岩变形，巷道保持稳定，支护效果理想。
6结论
（1）以龙东矿7162回采巷道为对象，采用FLAC3D模拟了巷道顶板在高预应力锚杆锚索组合支护作用下的应力场分布特征，研究得出预应力及其扩散是锚杆支护发挥主动锚固作用的关键性因素，锚杆与锚索组合支护能显著扩大有效压应力区范围。
（2）根据数值模拟结果，运用动态信息设计法，对7162回采巷道设计了高预应力锚杆锚索组合支护方案，并在井下进行了试验。
（3）矿压观测结果表明，高预应力锚杆锚索组合支护形式在龙东矿7162回采巷道取得了良好的支护效果，该支护形式可以在类似松散厚煤层巷道中推广应用。
参考文献：
[1]王家臣.我国厚煤层开采技术新进展[C].第七次煤炭科学技术大会文集.北京：煤炭业出版社，2011：236-242.
[2]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.
[3]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[4]康红普，王金华，林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报，2007，32（12）：1233～1238.
[5]康红普.煤矿预应力锚杆支护技术的发展与应用[J].煤矿开采，2011，16（3）：25～30，131.
[6]康紅普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报，2007，32（7）：680～685.
[7]彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.
[8]张镇，康红普，王金华.煤巷锚杆-锚索支护的预应力协调作用分析[J].煤炭学报，2010，35（6）：881～886.
[9]康红普，姜铁明，高富强.预应力锚杆支护参数的设计[J].煤炭学报，2008，33（7）：721～726.
【关键词】厚煤层；松散煤层巷道；预应力锚杆支护
1前言
我国是一个厚煤层储量大国，据探明，厚煤层（厚度≥3.5m）的储量占我国现有煤炭储量45%左右[1]。以江苏大屯煤电公司龙东矿为例，该矿主采7#煤层，平均厚度6.01m，最大厚度达7.40m，属于典型的厚煤层矿井。煤层厚的特点决定了该类型煤层的矿井中沿底掘进的巷道必然以全煤巷道居多，而由于煤体松散、强度低、两帮及顶板容易变形等原因，煤巷围岩控制较岩巷困难。煤巷围岩控制形式多种多样，目前应用最普遍是锚杆支护。实践表明，锚杆支护是煤巷唯一经济、有效的支护技术[2，3]，是煤矿实现快速掘进的关键技术之一。随着对预应力在巷道支护系统中的重要作用的逐步认识[4～6]，预应力锚杆支护技术近年来得到大面积推广应用。本文以龙东矿7162回采巷道为工程背景，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，探究预应力锚杆支护机理，并在此基础上提出运用动态信息设计法，对原支护参数进行优化并应用于井下，支护效果理想。
2生产地质条件
龙东矿7162回采巷道位于本工作面南侧，埋深约200m，设计长度297m，沿7#煤层底板掘进，与北侧回风下山之间的净煤柱为25m，掘进期间会受到一定的动压影响。巷道平面布置如图1所示。
图1 7162回采巷道平面布置图
本采区主采7#煤层，平均厚度6.01m，最大厚度达7.40m，单轴抗压强度约8MPa，手抓即碎，属于典型的松软厚煤层。根据钻孔窥视结果（图2），巷道顶板以上0～3.4m为伪顶，煤，平均抗压强度8.52MPa；3.4～5.8m为直接顶，细粒砂岩，平均抗压强度45.80MPa；5.8～10m为老顶，粉砂岩，平均抗压强度35.66MPa。
图2 7#煤层顶底板综合柱状图
根据地质力学测试结果，7162工作面最大水平主应力σH=14.01MPa，方向N33.6°W；垂直主应力σv=4.6MPa。可见，该区域地应力场类型为构造应力场，水平应力占优势，对巷道顶底板影响较大。因此在进行巷道支护设计时，应加强巷道顶板的支护（必要时进行底板的支护），以保持巷道的长期稳定。
3松散厚煤层巷道预应力锚杆支护机理
随着计算机技术的飞速发展，数值模拟已经成为解决地质与采矿问题的有力手段，FLAC3D有限差分数值模拟软件[7]就是其中的一种。以龙东矿一采区胶带上山为模拟对象，采用FLAC3D对预应力锚杆支护对煤巷围岩的控制作用机理进行分析。
图3 7162回采巷道数值模型
根据7162回采巷道的地质和生产条件，建立如图3所示的三维数值模型。模拟尺寸：长×宽×高=10×20×23m，网格为10×20×50，划分为5层。模型计算选用摩尔—库仑准则，采用界面单元模拟岩层层面，采用pile结构单元模拟锚杆。模型的边界条件取为：四周采用铰支，底部采用固支，上部为自由边界。
根据预应力大小，分别模拟了巷道顶板在无预应力和100kN预应力作用下的应力场分布特征，结果如图4所示。
（a）预应力0
（b）预应力100kN
图4巷道顶板在有无预应力作用下的应力场分布
从图4（a）可以看出，预应力为0或过低时，锚杆支护产生的附加应力值小，形成的压应力区范围小，有效压应力区孤立分布，不能连成整体，锚杆支护在近零应力区[8]几乎没有加固围岩的作用。图4（b）显示，在高预应力下，锚杆支护产生的附加应力场应力值大，形成的压应力区范围广，有效压应力区几乎覆盖了整个顶板，整排锚杆间形成有机的整体，锚杆的主动支护作用得到充分发挥。由此可见，锚杆预应力及预应力的扩散是锚杆支护发挥主动锚固作用的关键性因素[1]。根据巷道条件确定合理的预应力，并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。比较合理的锚杆预应力取值范围应达到杆体屈服强度的30～50%[1]，且锚杆直径越大，强度越高，则锚杆预应力越大。单根锚杆的预应力作用有限，可以通过托板、钢带和金属网等护表构件将锚杆预应力扩散到范围更大的围岩中。
4松散厚煤层巷道锚杆支护方案
根据以上数值模拟结果，选择龙东矿7162回采巷道为试验对象，运用动态信息设计法[1]，对其进行参数优化，设计了高预应力锚杆锚索组合支护方案[9]。7162回采巷道断面形状为矩形，宽4.5m，高3.0m，具体支护参数为：
（1）顶板支护采用锚索网配钢筋托梁支护形式。锚杆为20#左旋无纵筋螺纹钢，屈服强度335MPa，长度2.4m，间排距1000×1000mm，采用兩支树脂锚固剂（一支规格为（CK+Z）2360，另一支规格为Z2360）加长锚固，设计拧紧力矩300N.m。锚索采用18.9mm、17股高强度低松弛预应力钢绞线，破断载荷大于1860MPa，延伸率4%，长度7.3m，间排距1500×2000mm，采用一支（CK+Z）2360和两支Z2360树脂锚固剂锚固，设计预紧力250kN。采用菱形金属网护顶，网孔规格50×50mm，网片尺寸4900×1100mm，网间搭接100mm。钢筋托梁采用14mm的钢筋焊接而成，宽度80mm，长度4200mm。
（2）巷帮支护采用锚网梁组合支护形式。锚杆规格同顶板，长度2.0m，间排距1100×1000mm，采用1支树脂锚固剂（规格为Z2360）加长锚固，设计拧紧矩300N.m。采用菱形金属网护帮，网孔规格50×50mm，网片尺寸2500×1100mm，网间搭接100mm。钢筋托梁采用14mm的钢筋焊接而成，宽度80mm，长度2400mm。 巷道支护布置如图5所示。
图5 7162回采巷道锚杆支护布置示意图
5矿压监测与支护效果评价
7162回采巷道采用上述支护方案施工200m后，在该巷道里面设置了三个矿压测站，对锚杆受力、顶板离层和巷道表面位移进行连续监测，结果如图6～8所示。图中锚杆锚索均为从巷道顶板左方向右方依次编号。
（1）锚杆受力监测锚杆的预紧力范围为20～60kN（8#预紧力约为87kN），其中3#、5#和11#预紧力不到30kN，其余均能满足设计要求。锚杆施加预紧力后，帮锚杆1#、2#、3#、10#、11#和顶锚杆8#的受力减小，其余锚杆受力均增大。距掘进工作面超过10m后，锚杆受力趋于稳定；帮锚杆的最终受力为16～39kN（10#为47.5kN），平均为33.4kN；顶锚杆的最终受力为52～78kN，平均为67.7kN。
图6锚杆受力监测变化曲线
（2）顶板离层监测在整个掘进期间，7162回采巷道浅部离层为4.5mm，深部离层为3mm，总离层值为7.5mm。这表明顶板离层值有限，说明高预应力锚杆锚索组合支护体系对深部顶板离层约束作用明显。
（3）表面位移监测7162回采巷道由开口到稳定，两帮移近量最终为25mm，为初始巷道两帮宽度的0.4%；巷道顶底板移近量最终为17mm，为巷道初始高度的0.5%，其中底鼓量为9mm，巷道底鼓量占顶底总移近量的53%。巷道变形最终在距迎头约65m以后趋于稳定。这表明表面位移较小，说明高应力锚杆支护很好地控制围岩变形，巷道保持稳定，支护效果理想。
6结论
（1）以龙东矿7162回采巷道为对象，采用FLAC3D模拟了巷道顶板在高预应力锚杆锚索组合支护作用下的应力场分布特征，研究得出预应力及其扩散是锚杆支护发挥主动锚固作用的关键性因素，锚杆与锚索组合支护能显著扩大有效压应力区范围。
（2）根据数值模拟结果，运用动态信息设计法，对7162回采巷道设计了高预应力锚杆锚索组合支护方案，并在井下进行了试验。
（3）矿压观测结果表明，高预应力锚杆锚索组合支护形式在龙东矿7162回采巷道取得了良好的支护效果，该支护形式可以在类似松散厚煤层巷道中推广应用。
参考文献：
[1]王家臣.我国厚煤层开采技术新进展[C].第七次煤炭科学技术大会文集.北京：煤炭业出版社，2011：236-242.
[2]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.
[3]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[4]康红普，王金华，林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报，2007，32（12）：1233～1238.
[5]康红普.煤矿预应力锚杆支护技术的发展与应用[J].煤矿开采，2011，16（3）：25～30，131.
[6]康紅普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报，2007，32（7）：680～685.
[7]彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.
[8]张镇，康红普，王金华.煤巷锚杆-锚索支护的预应力协调作用分析[J].煤炭学报，2010，35（6）：881～886.
[9]康红普，姜铁明，高富强.预应力锚杆支护参数的设计[J].煤炭学报，2008，33（7）：721～726.