林 健，马开春，杨景贺，范明建

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.新汶矿业职工大学，山东 莱芜 271100)

巷道支护理论与技术

基于锚杆支护系统允许的巷道顶板离层临界值的确定方法

林 健1，马开春2，杨景贺1，范明建1

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.新汶矿业职工大学，山东 莱芜 271100)

巷道顶板离层临界值的确定一直是困扰煤炭行业的一大难题，也是关系到煤矿安全的重大问题。摒弃以往根据巷道具体地质和生产条件确定顶板离层临界值的方法，在锚杆支护系统本身所允许的变形量基础上，提出了基于锚杆支护系统允许的巷道顶板离层临界值确定方法，并在实验室试验和现场实测基础上，计算得出了不同锚杆长度和锚固方式下巷道顶板离层临界值。

锚杆支护系统；顶板离层；临界值

巷道顶板离层是煤矿开采过程中最重要的矿压显现之一。研究成果和工程经验证明，过大的离层可使巷道顶板岩层丧失应力传递能力，导致顶板支护加固效果被严重削弱甚至失效，可能最终导致顶板事故。因此，及时掌握锚杆支护巷道顶板离层情况，了解顶板岩层离层发展和演化规律，对保证巷道安全具有重要意义。

获得顶板离层数据后，如何判断巷道是否安全是一直困扰我国煤炭行业科技工作者和工程技术人员的一大难题。目前国内外普遍的做法是针对煤矿具体生产和地质条件，研究得出一个判别值，将顶板离层实际观测值与之对比分析巷道的安全程度，这一判别值即为顶板离层临界值。

澳大利亚依据最大水平主应力理论研究得出，当顶板岩层松动膨胀达到1/100时，其传递水平应力的能力开始下降，水平应力便逐渐向上部岩层转移。若锚杆长度范围内的岩层均进入这一状态，证明锚杆支护系统强度不够，需要加强支护或补强加固。该国的锚杆长度一般为2400mm，按1/100计算，则为24mm，但为便于记忆通常按1英寸(25.4mm)考虑。英国、印尼、日本、波兰等国在引进澳大利亚锚杆支护技术时，也将顶板离层临界值定为1英寸。波兰对顶板离层临界值也有明确的规定，如果锚杆锚固范围内顶板离层量超过岩层厚度的2%，或顶板巷道跨度范围内的岩层离层量超过岩层厚度的1.5%，就认为顶板处于不安全状态，需要进行加固处理。

我国对锚杆支护巷道顶板离层临界值的研究始于九十年代初，主要依据影响巷道顶板离层的主要因素如地应力、围岩力学性质、围岩结构、锚杆支护参数、巷道断面、护巷煤柱尺寸等参数确定顶板离层临界值[1-9]。由于各矿区甚至一个矿区内各矿井地质和生产条件都不尽相同，研究成果不具有普遍适用性，各矿必须结合具体的地质和生产技术条件试验确定顶板离层临界值，应用难度较大。如何确定具有普遍适用性的巷道顶板离层临界值一直是困扰我国煤炭行业的难题。

在以锚杆支护为主的巷道中，顶板围岩的稳定性和变形不仅和巷道的地质和生产条件有关，还和采用的锚杆支护系统本身有着密切的联系。无论何种生产和地质条件，一旦采用的支护系统失效，就意味着支护的失效，最终将导致巷道的失稳破坏甚至发生大的冒顶事故。因此，本文将依据锚杆支护系统本身允许的变形量详细探讨锚杆支护巷道顶板离层临界值的确定方法。

1 锚杆支护对巷道围岩变形与离层的控制作用

巷道围岩变形由弹塑性变形、岩层扩容变形及结构面变形与离层等组成，各种变形在总变形中占的比重不同[10]。

1.1 弹塑性变形

在原岩应力作用下，巷道开挖后，储存于岩层内的径向弹性能迅速释放，表现为径向应力的降低和围岩向开挖空间的径向弹性位移。同时切向应力在巷道周边围岩中产生应力集中，一旦切向应力集中超过围岩的屈服极限，围岩产生塑性变形。巷道围岩弹塑性变形在总的巷道变形中所占的比重较小，并且在巷道开挖后未进行巷道支护之前就基本完成。

1.2 扩容变形

巷道围岩的扩容变形主要是岩石峰值强度后，岩石中新裂纹产生、张开、扩展导致岩石体积增加，碎胀变形引起。扩容变形与岩石的扩容参数、承受的偏应力等有关。当地应力达到一定数值后，扩容变形会随应力的增加急剧增大，达到很大数值。在深部高应力巷道中，扩容是引起围岩变形与顶板离层的一个重要原因。及时进行高预应力锚杆支护抑制围岩扩容变形的发生是有效的支护手段。

1.3 结构面变形

结构面变形与围岩中结构面的几何参数、结构面的力学参数及结构面与巷道的位置、方向等密切相关。结构面密度越大，结构面的黏聚力、内摩擦角、法向与切向刚度越低，与巷道方向越不利，结构面越易产生滑动与离层，甚至导致围岩破坏、失稳、垮落。对于软弱结构面比较发育的围岩，结构面变形在巷道变形与顶板离层中占很大比重。

理论研究与试验表明：

(1)锚杆支护对岩石峰值强度之前的弹性变形、塑性变形控制作用不明显，同时在时间上不能满足支护要求。

(2)锚杆支护可有效控制岩石峰值强度后由于新裂纹形成与张开引起的扩容变形与岩石碎胀[11]。并且支护越及时、主动支护能力越强越能有效抑制围岩扩容现象的发生。

(3)锚杆支护可有效控制围岩内结构面的变形，包括结构面的滑动、张开和离层，阻止节理化煤岩体的变形与松散。在结构面发生滑动、张开和离层前及时进行支护可大大减弱结构面的变形。

2 锚杆支护系统允许变形量的影响因素

锚杆支护系统允许的变形量与锚杆杆体的材质、结构、锚固方式及预紧力等因素有关。

2.1 锚杆杆体的材质

锚杆杆体材质有2种类型：一是专门开发的锚杆高强度钢材；二是对普通建筑螺纹钢进行调质处理，提高杆体的强度。

以我国主要锚杆钢材生产厂家生产的锚杆钢材为例，表1为锚杆钢的物理力学性能试验数据。

表1 不同钢厂锚杆钢的物理力学性能试验数据

对于锚杆支护来讲，锚杆杆体最大的可利用变形量应为最大力伸长率，而不是破断伸长率。从表中可以看出，不同强度等级的锚杆钢、甚至不同厂家生产的同等强度的锚杆钢的变形性能不尽相同。如Q335锚杆杆体的最大力伸长率为19.48%，而屈服强度为500MPa的热轧锚杆杆体的最大力伸长率平均为15.73%，调质处理的屈服强度为500MPa的锚杆杆体的最大力伸长率为14.1%，调质处理的屈服强度为600MPa的锚杆杆体的最大力伸长率平均为9.5%。因此，不同的锚杆杆体材质允许的变形量存在较大差异。

2.2 锚杆的结构

目前国内外针对高应力大变形巷道支护问题，研究了多种大变形锚杆，除杆体本身变形伸长外，还通过设计不同的锚杆结构加大锚杆的变形能力。如加拿大MCB33型Conebolt锚杆最大结构变形量为120mm，澳大利亚Roofex锚杆在80kN恒阻的状态下结构变形可达300mm，何满潮教授研制的恒阻大变形锚杆在130～200kN的恒阻下最大变形量可达1000mm。

2.3 锚杆的锚固方式

目前煤矿巷道锚杆支护主要采用树脂锚固锚杆，按锚固长度分为端部锚固、加长锚固和全长锚固[12]。不同的锚固方式由于锚杆自由段长度不同，允许的变形量也大不相同。

2.4 锚杆的预紧力

随着锚杆预紧力的提高，锚杆杆体弹性变形量随之增加，锚杆允许岩层的变形量随之减小，但影响幅度不大。500号锚杆杆体弹性变形与锚杆预紧力的关系见表2。

表2 500号锚杆杆体弹性变形与锚杆预紧力的关系

3 锚杆锚固范围内允许的顶板围岩变形与离层

3.1 端部锚固

端部锚固锚杆除锚固端外，杆体受力沿全长是相同的。假定锚杆尾部与杆体等强度，不考虑锚固端的变形，则杆体允许的孔口与锚固端之间的位移差为：

式中，Δub为杆体允许的孔口与锚固端之间的位移差，mm；l为锚杆长度，mm；l1为锚杆孔口外露长度，mm；la为锚固长度，mm；δ为锚杆杆体颈缩前的延伸率。对于屈服强度500MPa以上的钢材，取δ=8%；P0为锚杆预应力，kN；Sb为锚杆杆体截面积，mm2；E为锚杆杆体的弹性模量，MPa。

当锚杆预应力比较小时，预应力的影响可以忽略不计。

假设锚杆长度l=2400mm，锚杆孔口外露长度l1=100mm，锚固长度la=400mm，锚杆直径22mm，预应力为50kN，根据式(1)得：

Δub=152mm。

屈服强度为500MPa以上的端锚锚杆在不同长度下允许巷道顶板的变形量见表3。

3.2 全长锚固

对于全长锚固锚杆，应力、应变沿锚杆长度方向分布极不均匀，离层和滑动大的部位锚杆受力很大，杆体受力对围岩变形和离层很敏感[13]。一般锚杆中部受力较大，而靠近锚杆两端受力较小。

表3 端锚锚杆不同长度下允许巷道顶板最大变形量

国内外一般将全长锚固锚杆杆体的1/3发生屈服作为判断锚杆强度的准则。假设500号以上锚杆杆体中部受力最大位置达到颈缩前的延伸率(8%)，其余按三角形分布在中部发生屈服的1/3杆体上，由此可计算锚杆杆体允许的位移差。忽略非屈服杆体的延伸量，可用下式表示：

对于锚杆长度l=2400mm，锚杆孔口外露长度l1=100mm，全长锚固高强度锚杆：

Δub=30.7mm。

屈服强度为500MPa以上的全长锚固锚杆在不同长度下允许巷道顶板的变形量见表4。

表4 全长锚固锚杆不同长度下允许巷道顶板最大变形量

3.3 加长锚固

加长锚固锚杆兼有端部锚固与全长锚固的特点。加长锚固段可有效控制围岩的离层与滑动，靠近孔口的自由段便于施加预应力[14]。对于加长锚固锚杆，锚杆支护系统允许的变形量可将端锚和全长锚固结合计算，即锚固段允许变形量按全长锚固计算，非锚固段允许变形量按端锚计算。

表5为锚固长度为锚杆长度之半的情况下500MPa级以上的锚杆在不同长度下允许巷道顶板最大变形量。

表5 加长锚固锚杆不同长度下允许巷道顶板最大变形量

4 锚杆锚固范围外允许的顶板围岩变形与离层

为确定锚杆锚固范围外巷道顶板允许的变形和离层值，先后对山东新汶千米深井矿区所属7个煤矿(协庄、华丰、潘西、孙村、良庄、鄂庄及南冶)和山西潞安矿区所属7个煤矿(常村、漳村、屯留、五阳、王庄、司马及潞宁)进行了详细的顶板离层和变形统计，统计结果如下：

(1)在新汶矿区统计的顶板离层数据中，锚固区内离层值在10mm及以下的占13%，10～50mm占56%，50～100mm占11%，100mm以上占20%；锚固区外离层值在10mm及以下的占43%，10～50mm占41%；50～100mm占11%；100mm以上占5%；锚固区内离层值大于锚固区外离层值的占89%，锚固区内离层值小于锚固区外离层值的仅占11%。在锚固区内离层值大于锚固区外离层值的测点中，锚固区外离层值大于锚固区内离层值一半的占39%，小于锚固区内离层值一半的占61%[11]。

(2)在潞安矿区统计的顶板离层数据中，锚固区内离层值在10mm及以下的占15.3%，10～50mm占66.3%，50～100mm占12.3%，100mm以上占6.1%；锚固区外离层值在10mm及以下的占37.8%，10～50mm占48%，50～100mm占6.1%，100mm以上占8.1%；锚固区内离层值大于锚固区外离层值的占81.6%，锚固区内离层值小于锚固区外离层值的仅占18.4%。在锚固区内离层值大于锚固区外离层值的测点中，锚固区外离层值大于锚固区内离层值一半的占60.2%，小于锚固区内离层值一半的占39.8%。

根据以上统计，将锚杆锚固范围外巷道顶板允许的变形和离层值定为锚杆锚固范围内巷道顶板允许的变形和离层值75%较为合理。屈服强度为500MPa以上的锚杆支护系统允许的巷道顶板的变形和离层临界值如表6所示。

表6 锚杆支护系统允许的巷道顶板变形和离层临界值

5 结论

(1)锚杆支护巷道顶板离层的发生不仅与巷道的地质和生产条件有关，还和采用的锚杆支护系统本身有着密切的联系。

(2)锚杆支护系统允许的变形量与锚杆杆体的材质、结构、锚固方式及预应力等因素有关。端部锚固锚杆支护刚度低，允许的变形量大。全长和加长锚固锚杆支护刚度高，允许的变形量小。

(3)基于锚杆支护系统本身允许的变形量，确定了巷道顶板离层临界值，为现场巷道顶板离层提供了统一的反馈标准。

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[责任编辑：王兴库]

DeterminationMethodforCriticalValueofRoofSeparationLimitedbyAnchoredBoltSupportingSystem

LIN Jian1,MA Kai-chun2,YANG Jing-he1,FAN Ming-jian1

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;2.Xinwen Mining Workers College,Laiwu 271100,China)

Determining the critical value of roof separation is always a difficult safety problem for coal industry.The typical determining method considering roadway and mining condition abandoned,a new method limited by allowable deformation of anchored bolt supporting system was present.On the basis of laboratory test and on-the-spot observation,critical values of roof separation under different anchored bolt lengths and anchorage manners were obtained.

anchored bolt supporting system; roof separation; critical value

2014-03-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.014

国家科技支撑计划项目(2012BAK04B06，2012BAB13B02)

林 健(1969-)，男，山东曹县人，研究员，硕士研究生导师，长期从事煤矿巷道支护技术开发与推广工作。

林 健，马开春，杨景贺，等.基于锚杆支护系统允许的巷道顶板离层临界值的确定方法[J].煤矿开采，2014，19(5)：47-50.

TD327.2

A

1006-6225(2014)05-0047-04