基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用 (1).pdf

第 卷第 期煤 炭 学 报 年 月 基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁 支护理论及应用 姚强岭，，李英虎 ，，夏 泽，，李学华，，王烜辉，，晁 宁， （中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 ；中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 ） 摘 要通过对巷道顶板岩梁的变形及破坏特征分析，确定了顶板岩层失稳的宏观过程；针对煤系 巷道顶板沉积岩层的分层特征，建立了煤系巷道顶板叠加梁力学模型，基于其协调变形及共同承载 特性，求解出了叠加梁中各分层岩梁等效承载应力、层间作用力以及锚杆（索）支护强化参数，揭示 了锚杆（索）对叠加梁结构的支护作用机理，即优化不同抗弯刚度的各层顶板的承载应力分配，充 分发挥各岩层力学承载性能，控制顶板岩层的整体下沉，同时提高叠加梁的黏聚力及变形模量，间 接强化整体锚固结构的承载强度。 针对顶板叠加梁支护结构在巷道不同服务阶段的失稳条件，提 出了煤系巷道顶板支护的“有效锚固”状态以及有效锚固层厚度理念，用于评价巷道支护中锚 杆（索）对顶板实际的锚固能力，形成了煤系巷道顶板叠加梁支护理论。 基于该支护理论，以皖北 煤电集团任楼煤矿 工作面回风巷为工程背景，对其在近距离煤层、采空区下伏成巷条件下 进行了顶板支护设计，根据层间距在， 以及 的 种不同范围，将该巷道进行了分区， 通过对顶板叠加梁结构进行分析与有效锚固层厚度计算，分别确定了在不同巷道区域内采用锚杆 与注浆锚索为主的支护技术参数，并结合现场工业性试验验证了该支护方案的合理性与有效性。 关键词叠加梁理论；煤系巷道；锚杆支护机理；“有效锚固”状态；有效锚固层厚度 中图分类号 文献标志码 文章编号（） 移动阅读 收稿日期 修回日期 责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金资助项目（） 作者简介姚强岭（），男，河南兰考人，教授，博士。 通讯作者李英虎（），男，山东汶上人，博士研究生。 引用格式姚强岭，李英虎，夏泽，等 基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用 煤炭学报， ，（） ， ， ， ，，（） ，， ，， ，， ，， ，， ， （ ， ， ，，； ， ， ，） ， ， ， ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 期姚强岭等基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ； ； ；“ ” ； 据统计， 我国每年新掘进煤矿巷道总长达 ，超过 的新掘巷道采用锚杆支护方式， 并且这一比重将继续增加。 煤系巷道锚杆支护经 典理论包括 提出的悬吊理论、 等提出的组合梁理论、 等提出的组合 拱理论、侯朝炯等提出的巷道锚杆支护围岩强度强化 理论、董方庭等提出的围岩松动圈理论及 通过现场测试和数值模拟分析得出的最大水平应力 理论等。 依据锚杆适用条件可将经典锚杆支护 理论分为 类，一类主要基于处于弹性状态的完整岩 体建立组合梁理论认为锚杆主要作用是通过较大的 预紧力将多层薄岩层紧固组合在一起，形成一个较厚 的梁结构以增强顶板强度和刚度；组合拱理论认为预 应力锚杆在围岩中形成的压应力区可在合理设计条 件下彼此连成一个有一定厚度的具有较大承载能力 的压缩拱。 第 类则充分考虑了巷道围岩塑性破坏 后处于峰后强度和残余强度下的破裂岩体力学特 性松动圈支护理论认为围岩破裂过程中的岩石 碎胀变形是支护的对象，松动圈越大，碎胀变形和围 岩变形量越大，巷道支护也越困难；巷道锚杆支护围 岩强度强化理论认为围岩中安装锚杆后可不同程度 地提高其力学性能指标与支护结构稳定性。 第 类 最大水平应力理论则更多的是一种支护方法论，着重 强调工程实施应用的科学性。 近年来对于锚杆支护机理的研究主要包括 个 方面，一方面锚杆与顶板相互作用形成强度更大的耦 合承载结构如杨建辉等提出了层状顶板的组合 拱梁支护机制理论，通过计算组合拱梁平均应力分析 出相关因素对顶板稳定性的影响；左建平等通过 分析巷道顶板的受力及破坏机理，提出了深部巷道等 强梁支护力学模型，并结合数值模拟验证了该理论的 应用可行性；另一方面则是锚杆等支护体系能够对巷 道围岩的自承载结构进行加固如黄庆享等揭 示了巷道围岩垮落存在自稳平衡现象的机制，并提出 巷道支护的自稳平衡圈理论，多次成功应用于软岩巷 道支护；郑建伟等提出了巷道等效断面支护原理， 认为人工支护的目的是促使围岩内部形成具有一定 轴比的“椭圆状”自承载结构，并利用该理论指导了 现场支护设计。 煤系地层是典型的层状沉积岩层，围岩条件复 杂，巷道深部围岩是力学性质相对稳定的基本顶和基 本底，浅部围岩力学性质相对较差，多为砂质泥岩、泥 质页岩、粉砂岩、煤线等互层状间岩层组合，岩层与岩 层之间的胶结较差，受动压影响后容易产生离层。 也 存在如单一巨厚硬质砂岩结构等顶板类型，而厚度较 大的沉积岩由于成岩及后生过程中温度、压力等因素 的不同，即使在同一岩层的不同位置也会表现出 不同的工程地质特性，出现层理等结构弱面，导致 厚度较大的沉积岩顶板某种程度上具有煤系地层 复合顶板的工程地质特性各分层都具有一定的抗 剪、抗压和抗拉强度，而各层之间黏结力较弱。 笔者在前人研究基础之上，考虑沉积岩层固有的 层状特征，通过建立煤系巷道顶板叠加梁力学模型， 研究了锚杆（索）对顶板的主动支护与强化作用；提 出了“有效锚固”状态与有效锚固层厚度理念，为定 量化评价支护方案提供了有益参考。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 年第 卷 煤系巷道顶板叠加梁力学分析 煤系巷道叠加梁支护理论基于顶板梁式特 征，考虑层间作用，分析未支护岩梁失稳特 征，对顶板锚固形成的叠加梁结构进行内力分析与强 化研究，揭示了锚杆对叠加梁结构的支护作用机理， 并给出了定量化表征。 无支护条件下顶板内力分析 煤系巷道顶板在无支护条件下，承载覆岩应力 及自重，当各层顶板受力平衡且保持稳定时， 经层 间作用自上向下传递至顶板最底层岩层，该层将承受 垂直应力 为 （） 式中， 为巷道支护范围内顶板总层数；为第 层顶 板容重， ；为第 层顶板厚度，。 对煤系巷道顶板底层岩梁（以下简称岩梁）的受 力及变形特征进行分析，作出如下基本假设 （）岩梁满足连续、均匀、各向同性的特征，承受 垂直与水平应力作用； （）岩梁两端在竖直方向的位移被约束，但端部 仍可发生一定程度的转动，可简化为简支梁。 其力学 模型如图 所示。 图 煤系巷道顶板底层岩梁力学模型 由图 可知，岩梁为对称结构，其边界条件为 （） 式中， 为岩梁向下挠度，； 为岩梁跨度，。 根据材料力学理论，岩梁在垂直应力和水平应力 共同作用下的弯矩方程 （）为 （） （ ） （） 式中， ， 为岩梁所受水平应力，； 为岩 梁截面宽度，； 为岩梁厚度，。 岩梁满足挠度弯矩方程 （） （） （） 式中， 为岩梁弹性模量，； 为岩梁截面对于中 性轴的惯性矩，。 由式（）和（）可得到岩梁挠度表达式为 （） （） （） 式中， ，其中， 为岩梁抗弯刚度，， 。 岩梁各处正应力 表达式为 （） （） （） 由式（）可得到典型岩梁各处应力分布。 由图 可知，岩梁应力在跨中达到峰值，应力关 于中轴线对称，轴上方部分为压应力区域，下方为拉 应力区域。 岩体抗拉强度远小于抗压强度，可判断岩 梁最易失稳位置发生在底边跨中位置，当承载应力足 够大 时， 将 由 底 边 中 点 发 生 辐 射 状 失 稳。 结 合 式（），（），分析岩梁厚度对其稳定性影响。 图 典型岩梁应力分布 由图 可知，当岩梁具有足够厚度承载应力时， 其内部不发生失稳；而当峰值拉应力超出其强度极限 时，岩梁由底部开始发生失稳，厚度逐渐减小，且破坏 位置向中性轴靠近。 当厚度减小至一定程度时，底层 岩梁挠度快速增加，并破坏至完全垮落。 同时，下层 顶板离层、破坏使上层顶板在产生底边自由面后，无 充分层间作用保持稳定，开始发生失稳，最终导致顶 板逐层向上发生破坏。 煤系巷道顶板叠加梁内力分析 基于煤系巷道顶板分层特性，针对锚杆锚 固范围内岩层协调变形并共同承载的特性，建立了煤 系巷道顶板岩层锚杆叠加梁结构力学模型。 如图 所示，叠加梁结构中各层岩梁之间协调变 形，满足力学与变形条件为 （ ，，，） （） 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 期姚强岭等基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用 图 厚度对岩梁失稳位置及挠度值的影响 同时，根据叠加梁整体承载应力特征，可知 （） 式中， 为第 层顶板承载的等效垂直应力，； 为支护密度 根 下预紧力为 的锚杆对叠加梁 的主动支护，，可表示为 （） 图 煤系巷道顶板叠加梁力学模型 考虑叠加梁内层间作用，可知顶、中、底层岩梁承 载等效垂直应力 ， ， 分别表示为 （） 式中， 和 分别为顶层与中层岩梁、中层与底层 岩梁的层间作用，。 联立式（） （）求解可得 （） （） （） 式中，中间参数 表示为 （） 式中，，为第 层顶板对应参数 ， 的取值。 参数 与 正相关，则 与岩梁抗弯强度 呈 负相关关系。 因此，当岩梁抗弯强度大时，其承载等 效应力更大。 即锚杆支护所形成的顶板叠加梁结构， 能够充分发挥各层岩梁的承载能力，优化应力分配。 以某浅埋深矿井的回采巷道支护为例，通过计算 顶板各层岩梁的抗弯刚度与等效承载应力，分析其顶 板叠加梁的应力分配效果，其参数及取值见表 。 表 案例参数及取值 参数取值参数取值 巷道宽度 巷道高度 垂直应力 顶梁厚度 侧压系数顶梁弹性模量 锚杆长度 中梁厚度 锚杆预紧力 中梁弹性模量 锚杆弹性模量 底梁厚度 锚杆直径 底梁弹性模量 锚杆间排距 （）岩层平均容重 （ ） 如图 所示，通过锚杆支护形成的顶板叠加梁， 在整体结构承载水平应力与垂直应力时，内部 层岩 梁因其抗弯刚度不同，各自承载等效应力也存在差 异，强抗弯性能（ ）的顶层岩梁承载更大 的应力（ ），弱抗弯性能（ ）的 底层岩梁承载较小的应力（ ）。 图 顶板叠加梁各层岩梁等效承载应力与抗弯刚度 锚杆支护对顶板叠加梁结构的强化分析 锚杆与顶板岩层形成叠加梁结构后，顶板的承载 能力将得到一定提升，具体表现为变形特征改变以及 力学强度提高，为定量化描述该作用效果，提出支护 结构强化系数 与峰值应力折减系数 。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 年第 卷 支护结构强化系数 在提高强度方面，锚杆支护后顶板结构的黏聚力 和内摩擦角均产生一定变化，其中内摩擦角变化幅度 较小，可忽略不计。 根据文献，支护结构的黏聚力可表示为 （） 式中， 为叠加梁结构黏聚力，；为未支护顶板 岩体黏聚力，；支护后叠加梁结构黏聚力增量 为 （） 式中，为锚杆屈服强度，；为锚杆截面面 积，； 为未支护顶板内摩擦角，（）。 支护强化后叠加梁结构抗拉强度 表示为 （） 式中，为未支护顶板抗拉强度，。 定义支护后顶板抗拉强度与原抗拉强度之比为 叠加梁支护结构强化系数 ，则 （） 峰值应力折减系数 因叠加梁结构中锚杆承担一定的变形，支护结构 整体变形模量发生变化，根据文献，顶板叠加梁 锚固体弹性模量 为 （ ） （） 式中， 为锚杆弹性模量，； 为未支护顶板岩 层弹性模量，； 为锚杆间距，； 为锚杆排 距，。 由于弹性模量的增大，在承担相同的外力作用 时，锚固后顶板叠加梁形成的内部应力小于未锚固顶 板。 定义支护后顶板峰值应力与原峰值应力之比为 叠加梁应力折减系数 ，则 （） 式中，为未支护顶板峰值应力，； 为支护 后顶板峰值应力，。 由式（）和（）可知，顶板受到锚杆锚固后其 黏聚力和弹性模量得到增加，间接提高了锚固结构的 抗拉强度与降低了顶板的峰值应力。 支护结构强化 系数与峰值应力折减系数的主要影响因素包括锚杆 与岩层之间的力学性质差异（弹性模量、黏聚力），锚 杆的支护相关参数（预紧力、间排距等）。 即在一定 范围内，顶板与锚杆力学强度差异越大，锚杆设计预 紧力越大、支护密度越高对于叠加梁结构的强化效果 越显著。 有效锚固层厚度的计算 为进一步判断锚杆（索）何时才能发挥其主动支 护作用，使顶板达到“有效锚固”的状态，提出有效锚 固层厚度作为关键指标，对巷道在不同顶板强度、应 力环境以及锚杆参数等条件下的支护效果进行定量 化评价。 煤系巷道顶板的临界失稳厚度 根据式（）可以得到，未支护顶板岩梁在巷道应 力作用下，发生破坏的位置 为 （） 式中，为第 层顶板岩梁截面对于中性轴的惯性 矩，；为第 层未支护顶板岩梁抗拉强度，； 为第 层顶板所承载等效垂直应力，。 此时， 未 支 护 范 围 顶 板 各 层 岩 梁 破 坏 总 厚 度 为 （） 在回采巷道全生命周期中，其顶板将承载不同类 型的应力，其中超前支承压力作用阶段应力量级最 大，此阶段巷道顶板所承载垂直应力与水平应力可表 示为 （） 式中， 为应力集中系数； 为侧压系数；为巷道所 承载初始垂直应力，。 定义巷道在超前支承压力作用阶段各层未支护 顶板破坏厚度总和 为临界失稳厚度。 ， （） 顶板叠加梁结构的有效锚固层厚度 当受到锚杆支护作用时，巷道顶板得到强化，黏 聚力与弹性模量提高，根据式（），（），（），可得 到支护作用下顶板岩梁破坏的位置 为 （ ） （） 式中， 为支护后顶板叠加梁中第 层顶板对应参 数 的取值； 为支护后顶板叠加梁中第 层顶板岩 梁抗拉强度，。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 期姚强岭等基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用 巷道顶板的“有效锚固”状态在锚杆合理支护 作用下，顶板叠加梁承载超前支承压力的同时各层岩 梁均不发生失稳。 定义有效锚固层厚度为锚杆（索） 作用后，顶板岩梁得到有效支护而保持稳定的厚 度 ，表示为 （ ） （） 定义 为锚固有效性校核函数，即顶板叠 加梁有效锚固层厚度大于临界失稳厚度时，锚杆对顶 板支护有效；，顶板叠加梁有效锚固层厚度小于临 界失稳厚度时，支护效果无法保障巷道在回采阶段内 的稳定，顶板将发生失稳。 （） 有效锚固层厚度与支护校核函数影响因素 为探究在不同条件下进行煤系巷道顶板支护设 计的关键技术指标，以表 中案例为基础，探讨巷道 应力环境、顶板力学性质、锚杆强度以及支护设计参 数等因素对有效锚固层厚度 以及锚固有效性校 核函数 的影响。 由图 可知，应力集中系数增加对于锚固效果的 削弱明显，随应力集中系数的增加，有效锚固层厚度 递减，同时临界失稳厚度增大，导致支护有效性校核 函数逐渐趋于负值，并且当应力集中系数超过 时，校核函数值小于 ，此时当前支护将无法维持巷 道稳定，需加强支护或采取卸压方法，维持巷道稳定。 图 应力集中系数对有效锚固层厚度与校核函数的影响 以巷道底层顶板的厚度与弹性模量作为研究对 象，分析顶板力学性质对有效锚固层厚度与支护校核 函数的影响。 由图 可知，当底层顶板的弹性模量增加时，有 效锚固层厚度与支护校核函数均小幅增加，且后者增 量（ ）高于前者（ ），表明提高岩层弹性 模量，既能够增强岩层自稳性，又能促进锚杆对顶板 的强化效果。 因此，通过采取相关措施加固顶板，增 加其弹性模量，有利于提高支护效果。 图 底层顶板弹性模量对有效锚固层厚度与 校核函数的影响 由图 可知，底层顶板的厚度增加时，有效锚固 层厚度与校核函数值快速增大，增量分别为 与 。 表明厚度对于顶板强度影响大于弹性模 量，主要原因为顶板的抗弯刚度与厚度呈 次正相 关，而与弹性模量仅呈一次正相关。 因此，巷道施工 过程中，采取相关措施保持顶板完整性，有利于提高 其抗弯性与稳定性。 图 底层顶板厚度对有效锚固层厚度与校核 函数的影响 由图 可知，锚杆的材料强度与支护参数对有效 锚固层厚度的影响均呈类线性正相关的特点，同时预 紧力与锚杆强度的影响高于支护密度，在较高支护密 度（ 根 ）下选择较低屈服强度（ ）与预紧 力（ ）的锚杆所能达到的有效锚固层厚度远小 于较低支护密度（ 根 ） 下选择较高屈服强 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 年第 卷 度（ ）与预紧力（ ）的锚杆。 图 锚杆支护密度、屈服强度与预紧力对有效锚固 层厚度的影响 ， 因此，在进行支护设计时，根据实际支护条件与支 护需求，合理确定锚杆预紧力、锚杆强度与支护密度搭 配，更有利于实现顶板的有效锚固，维持巷道稳定。 基于巷道顶板叠加梁理论的有效锚固层厚 度计算及应用 本文详细论证了煤系巷道顶板叠加梁支护理论， 并以该理论为指导，成功应用于不同开采技术条件下 的多条巷道支护。 以皖北煤电集团任楼煤矿近距离 煤层 工作面回风巷为例，利用煤系顶板叠加 梁理论指导了该巷顶板支护设计，并在现场进行了成 功应用。 工程地质条件 工作面与上覆 采空区的层间岩层厚 度变化幅度较大，层间距 ，平均 ； 与 煤为 类自燃煤层，层间岩层主要为泥岩；该工 作面内断层发育，受断层影响巷道层理紊乱，尤其当 相邻煤层间距较小时，下伏煤层顶板岩层裂隙发育、 完整性较差，易发生采空区漏风遗煤自燃及顶板失稳 事故，对巷道围岩稳定控制及安全生产造成不利 影响。 工作面空间位置关系如图 所示，图 中数字表示工作面采掘顺序。 图 工作面空间位置关系 如图 所示，根据任楼煤矿 工作面工 程地质特征，并结合顶板岩层围岩结构钻孔探测结 果，基于“有效锚固层厚度”在巷道支护中的关键作 用，提出在 工作面回风巷掘进期间采用分区 域差异化巷道支护形式，依据煤层间距划分为 个区 域 区域，煤层间距大于 ； 区域，煤层间 距在 ； 区域，煤层间距在 。 图 工作面风巷掘进期间顶板分区 基于有效锚固层厚度计算的顶板支护设计 针对 工作面巷道顶板岩层赋存特征，通 过式（）和（）可计算得到该顶板形成叠加梁，处 于“有效锚固”状态时，须达到的最小有效锚固层厚 度。 并以此为标准，根据该顶板分区特点，对不同支 护形式下有效锚固厚度进行分析和计算，为支护方案 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 期姚强岭等基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用 设计提供指导。 为简化计算过程，开发了相关计算软件辅助设 计，软件界面如图 所示。 该软件可根据所录入巷 道应力环境及顶板力学条件等参数，计算临界失稳厚 度，结合相关支护参数求解有效锚固层厚度，并评价、 校核支护方案是否满足需求。 图 煤系巷道顶板叠加梁支护设计软件界面 通过软件计算，区域顶板临界失稳厚度 为 ；区域顶板临界失稳厚度 为 ；区 域顶板临界失稳厚度 为 。 工作面回风巷支护方案设计 针对任楼煤矿不同层间距下伏煤层回采巷道围 岩控制问题，为满足各区域顶板有效锚固层厚度大于 所计算临界失稳厚度的条件，设计了 工作面 回风巷道支护技术参数。 其支护方案如图 所示。 区域巷道支护参数 （） 支 护 材 料。 顶 板 布 置 根 左 旋 螺 纹 钢 锚 杆、 根 （ 股）锚索，帮部布置 根 右旋螺纹钢锚杆，配套高强度螺母（锁具）、 托盘、钢筋网、 型钢带以及树脂药卷。 （）支护参数。 锚杆间排距为 ； 锚索间排距为 ；顶板及帮部锚杆预 紧扭矩分别不小于 和 ；锚索张拉 力为 。 （）有效锚固层厚度计算。 通过软件计算，区域 有效锚固层厚度 为 ，校核函数 ，满足支护需求。 图 工作面风巷支护方案 区域巷道支护参数 （）支护材料与支护参数。 巷道顶板采用全锚 索支护，将区域巷道顶板锚索改用 中孔注浆锚索，顶板锚杆改用 中 孔 注 浆 锚 索， 短 注 浆 锚 索 张 拉 力 为 ，长注浆锚索张拉力为 ；其余帮部支 护参数不变。 注浆材料短注浆锚索采用久米纳 无机充填加固材料 ，浆液较稠似浆糊，实 现全长锚固；长注浆锚索采用久米纳无机充填加 固材料 ，浆液相对较稀易扩散，实现人工 造顶。 （）有效锚固层厚度计算。 通过软件计算，区域 有效锚固层厚度 为 ，校核函数 ，满足支护需求。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 年第 卷 区域巷道支护参数 （）支护材料与支护参数。 巷道顶板采用“多层 位全长锚注”加固支护，依据顶板不同层位岩层围岩 强度及裂隙发育情况，顶板采用短、中长及长注浆锚 索的全锚索支护， 短锚索每排 根 中 孔 注 浆 锚 索， 间 排 距 为 ；中长锚索每排 根 中 孔注浆锚索，长锚索每排 根 中孔 注 浆 锚 索， 中 长 及 长 注 浆 锚 索 间 排 距 为 ； 中 长、 短 注 浆 锚 索 张 拉 力 为 ，长注浆锚索张拉力为 ；中长注浆锚索 采用 加固材料，其余帮部支护参数不变。 （）超前注浆。 在巷道掘进工作面前方与顶板 夹角 仰角施工打 注浆孔，每 排 个孔，注浆材料为 ， 双组份速凝无机加固 材料，注浆压力 ，以实现预先稳固开 挖工作面的目的。 （）超前护顶。 顶板松软破碎时打设管缝锚杆 超前护顶，在迎头前方与顶板仰角 施工打钻 孔，将 管缝锚杆砸入孔内，间排距 。 （）有效锚固层厚度计算。 通过软件计算，区域 有效锚固层厚度 为 ，校核函数 ，满足支护需求。 巷道矿压显现特征 为检验回风巷支护效果，在 个区域巷道地段分 别布置测站，监测内容包括巷道围岩相对移近量、锚 杆（索）受力及围岩裂隙发展发育规律。 如图 所示，在巷道掘进期间区域，和巷 道两帮相对最大移近量分别为 ， 和 ， 顶底板相对最大移近量分别为 ， 和 。 由 前述设计参数可知，区域 和 设计锚索拉拔力分别为 和 ，现场施工过程中张拉机具均能达到该 设计值，但由于钻孔施工角度等因素影响，液压枕实测 数据均小于张拉机具输出值；区域 和 巷道锚索初始 预紧力均在 以上且随围岩变形具有增加趋势， 表明锚索支护范围内岩层锚固有力，锚索受力范围在 ，有效发挥了锚索的支护作用；区域巷道 注浆锚索锚固在具有一定胶结程度的采空区内，初始 预紧力在 以上，在锚索设计合理范围内。 图 区域，和巷道锚杆（索）受力、围岩变形及裂隙变化 ， ， 从顶板围岩裂隙发育规律可知，区域巷道支护 方案能有效控制锚固区内围岩离层及裂隙发育，保证 了锚固区内顶板围岩强度及完整性；区域和巷道 围岩裂隙发育地段注浆效果较好，浆液较好地充填在 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 期姚强岭等基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用 围岩裂隙中且胶结性良好，而采空区内岩层较破碎， 超前预注浆加固使浆液注入到破碎岩体内，通过挤 压、充填、胶结及封堵的作用，形成强度高、抗渗透性 好及稳定性强的再生岩体，顶板的完整性与弹性模量 增大，有效锚固层厚度增大，极大地减少锚杆（索）失 锚现象，改善了围岩结构，提高了围岩强度，充分发挥 了围岩的自承能力，保障了巷道围岩稳定。 结 论 （）针对煤系沉积岩层状赋存特征，对顶板底层 岩梁进行力学分析，确定了煤系巷道顶板失稳形式， 并通过建立叠加梁力学模型，求解出该结构中内力分 布特征，分析得到了锚杆（索）对叠加梁结构的支护 作用机理，即优化不同抗弯刚度条件下各层顶板的承 载应力分配，充分发挥各岩层力学承载性能，控制顶 板的整体下沉，同时提高叠加梁的黏聚力及变形模 量，间接强化整体锚固结构的力学承载强度。 （）提出了“有效锚固”状态与有效锚固层厚度 的理念，并建立了以有效锚固层厚度及支护有效性校 核函数 为关键指标的顶板叠加梁支护理论，为不同 支护条件下的支护方案对比提供了定量化参考。 基 于案例分析了应力集中系数、顶板力学性质以及锚杆 支护密度、屈服强度、预紧力等参数对于有效锚固层 厚度的影响。 （）基于煤系巷道顶板叠加梁支护理论，以皖北 煤电集团任楼煤矿 工作面回风巷为工程背 景，对其在近距离煤层、采空区下伏成巷条件下进行 了顶板支护设计，根据层间距在， 以及 的 种不同范围，将该巷道划分为 个区域，通过顶 板叠加梁结构性分析与有效锚固层厚度计算，分别确 定了在不同巷道区域内使用 锚杆，， 以 及 长度的注浆锚索组合方案对巷道顶板进行 支护，并结合现场工业性试验验证了该支护方案的合 理性与有效性。 （）相对于目前已有的锚杆支护理论，叠加梁支 护理论能够为煤系巷道顶板的支护设计提供定量化 参考，但仍存在一定的局限性。 一方面，该理论以顶 板梁式特征为基础，以岩体抗拉强度为判断准则，对 于赋存状态为非均一岩梁或存在较多剪切弱面的顶 板适用性有限；另一方面锚杆对顶板强化系数的确定 比较理想化，将锚杆对岩体作用简化为主动支护力， 对其内部支护应力场研究不充分。 该理论后期完善 重点在于丰富其工程适用性，对于复杂条件顶板建 立强度等效机制，依据实验验证支护强化系数，并考 虑支护应力场对叠加梁支护效果影响。 参考文献（） 康红普 我国煤矿巷道锚杆支护技术发展 年及展望 中 国矿业大学学报，，（） ，，（） ， ， ， ， 侯朝炯，勾攀峰 巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究 岩 石力学与工程学报，，（） ， ，，（） 董方庭，宋宏伟，郭志宏 巷道围岩松动圈支护理论 煤炭学 报，，（） ， ， ，，（） ， ，， ， ， ， 张红军，李海燕，张太平，等 深部软岩巷道高预应力增阻大变 形锚杆研究及工程应用 煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 杨建辉，尚岳全，祝江鸿 层状结构顶板锚杆组合拱梁支护机制 岩石力学与工程学报，，（） ，， ，，（） 杨建辉，夏建中 层状岩石锚固体全过程变形性质的试验研究 煤炭学报，，（） ， ，，（） 左建平，文金浩，胡顺银，等 深部煤矿巷道等强梁支护理论模 型及模拟研究 煤炭学报，，（） ， ， ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 年第 卷 ，， （） 黄庆享，郑超 巷道支护的自稳平衡圈理论 岩土力学， ，（） ， ，， （） 黄庆享，刘玉卫 巷道围岩支护的极限自稳平衡拱理论 采 矿与安全工程学报，，（） ， ， ，（） 郑建伟，鞠文君，张镇，等 等效断面支护原理与其应用 煤 炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 孟召平，陆鹏庆，贺小黑 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