长期载荷作用下柔性锚杆力学特性及工程应用.pdf

第45卷第9期 2020 年 9 月 煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Vo l . 45 No . 9 Sep. 2020 移动阅读 谢正正，张农，王朋，等.长期载荷作用下柔性锚杆力学特性及工程应用[J].煤炭学报,2020,4593096- 3106. XIE Zh en g zh en g,ZHANG No n g , WANG P en g, et a l . Mec h a n ic a l c h a r a c t er ist ic s a n d fiel d a ppl ic a t io n o f fl ex ibl e bo l t u n der l o n g -t er m l o a d[ J]. Jo u r n a l o f Ch in a Co a l So c iet y,2020,459 3096-3106. 长期载荷作用下柔性锚杆力学特性及工程应用 谢正正1,2，张农1,2,3，王朋1,2，汪明坤1,2 1.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221116； 2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116； 3.江苏师范 大学，江苏徐州221116 摘要摘要以联合强化支护为主的控制技术是当前深部煤巷围岩控制的主要手段， ，复杂化的支护形式 明显降低巷道掘进效率， ，采掘矛盾突出， ，已成为制约煤矿高效生产的普遍性难题。。而不受巷道高度 限制且能实现快速安装的柔性锚杆已在静态拉伸下表现出良好的力学性能， ，可有效解决巷道安全 与掘进效率相制约的问题。。为研究柔性锚杆在长期载荷作用下的力学特性和动态变化特征， ，通过 自主研发的锚杆 索 耐久性实验系统对柔性锚杆进行长达5个月加载实验， ，分别设置无处理对照 组、 、不同淋水环境和不同安装角度3种相似工程环境， ，并对长期加载后的柔性锚杆开展静态拉伸实 验。。结果表明， ，与未经长期载荷作用的柔性锚杆相比， ，长期加载对柔性锚杆力学性能影响较小， ，峰 值力仅降低1. 2 ; ;淋水环境下柔性锚杆出现多处锈蚀， ，其峰值载荷和延伸性能较无处理对照组均 出现降低， ，分别降低 ;巷道安全； ；耐久性 中图分类号中图分类号TD353. 6 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号0253-9993 202009-3096-11 Mechanical characteristics and field application of flexible bolt under long-term load XIE Zh en g zh en g1,2, ZHANG No n g1,2,3 ,WANG P en g1,2 ,WANG Min g ku n1,2 1. Key La bora tory of Deep Coa l Resource Mining, Ministry of Educa tion, China University of Mining a nd Technology, Xuzhou 221116, China ； 2. School of Mines, China University of Mining a nd Technology,Xuzhou 221116, China ； 3. Jia ngsu Norma l University,Xuzhou 221116, China AbstractTh e c o n t r o l t ec h n o l o g y ba sed o n c o mbin ed st r en g t h en in g su ppo r t is t h e ma in mea n s t o c o n t r o l t h e su r r o u n d in g r o c k o f t h e deep c o a l r o a dwa y a t pr esen t . Th e c o mpl ic a t ed su ppo r t in g fo r m o bv io u sl y r edu c es t h e dr iv in g effic ien c y o f r o a dwa y a n d t h e c o n t r a dic t io n bet ween c o a l min in g a n d r o a dwa y dr iv in g is v er y ser io u s , wh ic h h a s bec o me a c o m mo n pr o bl em r est r ic t in g t h e h ig h effic ien c y min in g o f c o a l min e. Th e fl ex ibl e bo l t ,wh ic h is n o t l imit ed by t h e h eig h t o f r o a dwa y a n d c a n be in st a l l ed q u ic kl y,h a s sh o wn g o o d mec h a n ic a l pr o per t ies u n der st a t ic t en sio n ,wh ic h c a n effec t iv el y so l v e t h e pr o bl em o f mu t u a l r est r ic t io n bet ween r o a dwa y sa fet y a n d dr iv in g effic ien c y. In o r der t o st u dy t h e mec h a n ic a l 收稿日期收稿日期2020-04-26 修回日期修回日期2020-05-19 责任编辑责任编辑郭晓炜 DOIDOI10. 13225/j. c n ki.jc c s.2020.0712 基金项目基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0603001；国家自然科学基金面上资助项目51674244 作者简介作者简介谢正正1991 ，男，山东济宁人，博士研究生。E-ma ilx ie_zzc u mt . edu . c n 通讯作者通讯作者张 农1968，男，安徽金寨人，教授，博士生导师。E-ma ilzh a n g n o n g 126. c o m 第9期谢正正等长期载荷作用下柔性锚杆力学特性及工程应用3097 c h a r a c t er ist ic s a n d dyn a mic c h a n g e c h a r a c t er ist ic s o f t h e fl ex ibl e bo l t u n der l o n g -t er m l o a d,t h e fl ex ibl e bo l t wa s l o a ded fo r u p t o fiv e mo n t h s t h r o u g h t h e sel f-dev el o ped bo l t c a bl e du r a bil it y t est syst em,a n d t h r ee simil a r en g in eer in g en v i r o n men t s wer e set u p wit h o u t t r ea t men t c o n t r o l g r o u p,differ en t wa t er po u r in g en v ir o n men t a n d differ en t in st a l l a t io n a n g l e , a n d t h e t en sil e t est o f t h e l o n g -t er m l o a ded fl ex ibl e bo l t wa s c a r r ied o u t . Th e t est r esu l t s sh o w t h a t t h e mec h a n ic a l pr o per t ies o f u n t r ea t ed fl ex ibl e bo l t s a r e l ess a ffec t ed by l o n g -t er m l o a din g c o mpa r ed wit h t h o se wit h o u t l o n g -t er m l o a d in g, a n d t h e pea k v a l u e o f t h e fl ex ibl e bo l t is o n l y 1.2 l o wer . In t h e wa t er po u r in g en v ir o n men t, t h e fl ex ibl e bo l t s a r e r u st ed in ma n y pl a c es,a n d it s pea k l o a d a n d ex t en sio n per fo r ma n c e a r e r edu c ed r espec t iv el y by 8. 6 a n d 21.4 , wh il e t h e fl ex ibl e bo l t s t r ea t ed wit h a n t ir u st c a n ma in t a in it s o wn mec h a n ic a l per fo r ma n c e. Th e fl ex ibl e bo l t s wit h dif fer en t in st a l l a t io n a n g l es h a v e differ en t mec h a n ic a l beh a v io r , a n d wh en t h e a n g l e is t o o l a r g e , t h e bea r in g c a pa c it y o f t h e fl ex ibl e bo l t wil l be a dv er sel y a ffec t ed. In t h e fiel d a ppl ic a t io n ,it is n ec essa r y t o en su r e t h a t t h e fl ex ibl e bo l t s mu st be t r ea t ed wit h a n t ir u st a n d it s in st a l l a t io n a n g l e sh o u l d n o t be t o o l a r g e. Fin a l l y , t h e fiel d t est o f t h e fl ex ibl e bo l t sin g l e su ppo r t t ec h n o l o g y is c a r r ied o u t in t h e r o a dwa ys wit h c o mpl ex c o n dit io n su c h a s l a r g e in c l in a t io n st r o n g dyn a mic pr es su r e r o a dwa y , h ig h st r ess l a r g e sec t io n r o a dwa y a n d t h ic k t o p c o a l r o a dwa y. Th e effic ien c y o f bo l t su ppo r t a n d t h e dr iv in g speed o f r o a dwa y h a v e been sig n ific a n t l y impr o v ed, a n d t h e defo r ma t io n o f su r r o u n din g r o c k is effec t iv el y c o n t r o l l ed. Key words fl ex ibl e bo l t; l o n g -t er m l o a d; mec h a n ic a l pr o per t ies; dr iv in g effic ien c y; r o a dwa y sa fet y; du r a bil it y 随着煤炭开采深度的不断下延,伴随而来的是复 杂地质环境、高地应力和强采动影响,在煤炭采掘活 动影响下极易引发冲击地压、瓦斯爆炸等重大工程灾 害,对人民群众生命安全和国家财产安全带来极大威 胁［1-3］。作为我国煤矿高效开采的支撑技术之 一［4-5］，锚杆支护技术明显改善巷道围岩强度、围岩 结构及围岩应力，最大限度地保持围岩的完整性，对 巷道长期稳定性控制起到关键作用。 锚杆支护已经历了百年历史［6］,从早期英国的 金属锚杆到美国的木锚杆再到德国的树脂锚杆，锚杆 材料不断改进和提高，支护形式向多样化发展。近年 来煤炭开采强度的不断提高，开采深度正以10 - 25 m/a的速度向下延伸［7］，地质条件变得日益严峻, 锚杆支护形式向联合强化支护的方向重点发展，主要 有锚杆索联合支护、锚索桁架联合支护、锚注联合支 护等［8-9］,由此带来支护工艺的复杂化。据统 计［10-11］,锚杆（索）安装耗时占总时间的50 60、截割煤体占20 30，支护耗时远高于割煤 耗时,造成掘进效率低，巷道准备周期长,采掘矛盾突 出,已成为制约我国煤矿安全和高效生产的普遍性问 题。 为了破解安全与效率的难题，需从支护技术的源 头进行突破。康红普等［12-13］提出了高预应力强力支 护技术，通过大幅提高支护系统的初期支护刚度与强 度来保持围岩的完整性和自身强度，最大限度保持围 岩完整性并避免围岩中有害变形的出现，在强动压和 高应力巷道中展开了应用与推广，同时单一化锚索支 护在一定程度上提高了掘进效率。近年来张农 等［14-16］以煤巷大间排距高效支护为突破口，提出了 煤巷连续梁控顶理论和高效支护技术,在巷道顶板及 时构建超过临界锚固长度的厚层预应力锚固岩梁，可 解决巷道安全和支护效率的问题。 以上学者的研究 成果指出高强长锚杆、单一化、大排距支护是实现安 全高效掘进的主要途径。然而受制于巷道高度的限 制,刚性螺纹钢锚杆的长度不能满足跨界支护的安全 要求，并且锚索的张拉式安装方法不能满足快速支护 的技术要求。 笔者在已有研究成果的基础上，研发了一种新型 可实现杆体弯曲且能快速安装的柔性锚杆，该锚杆的 柔性杆体突破了巷道高度的限制，同时，锚杆通过螺 母旋转式安装方法满足快速支护的要求。为了研究 柔性锚杆在长期载荷作用下性能的可靠性和安全性, 笔者研发了锚杆（索）耐久性实验系统，分析柔性锚 杆在不同相似工程环境下耐久性力学特性，最后在大 倾角强动压巷道、高应力大断面巷道和厚顶煤巷道等 复杂条件巷道展开现场应用研究。 1柔性锚杆结构组成及力学性能 1.1柔性锚杆结构组成柔性锚杆结构组成 柔性锚杆是由钢绞线杆体、锁紧套管、螺母、垫 片、拱形托盘、防扭钢板组成，其中，钢绞线杆体是7 股或19股相互缠绕的钢丝，如图1所示。锁紧套管 是通过挤压工序和滚丝工序固定在钢绞线杆体尾部, 依靠锁紧套管与杆体间的摩擦力使其不发生滑脱破 坏。杆体长度可根据工程现场需要进行确定，由于杆 体是柔性材质,柔性锚杆突破了刚性锚杆受巷道高度 3098煤 炭 学 报2020 年第 45 卷 限制的弊端,能够锚固到深部相对稳定的岩层。 图1柔性锚杆结构示意 Fig . 1 St r u c t u r e dia g r a m o f fl ex ibl e bo l t 1・2柔性锚杆力学性能柔性锚杆力学性能 选择直径17. 8 mm七股钢丝的3个柔性锚杆样 品，长度均为600 mm,设定为P组，编号分别为P-1 , P -2和P -3,并用中国矿业大学MTS电液伺服试验 系统分别对其进行静态拉拔实验测试其力学性能,静 态拉伸结果如图 2 所示, 拉伸破断形式如图 3 所示。 400 O O2 23 3 o O o O 6 8 6 8 0 8 16 24 32 40 位移/mm 图2柔性锚杆静态拉伸实验结果 Fig . 2 St a t ic t en sil e t est r esu l t s o f fl ex ibl e bo l t 图3柔性锚杆静态拉伸破断形式 Fig . 3 St a t ic t en sil e br ea kin g fo r m o f fl ex ibl e bo l t 由图2柔性锚杆静态拉伸实验结果可得，拉伸 力-位移曲线可分为4个阶段①初始承载阶段（OA 段）②似弹性阶段（AB段）；③屈服强化阶段（BC 段）；④破断阶段（CD段）。第1阶段位移增加的速 度高于拉伸力，且持续时间很短，主要由于钢绞线杆 体初期张紧所致;第2阶段拉伸力与位移近似呈线性 关系，直至屈服;第3阶段柔性锚杆屈服时拉伸力仍 在增加，直到峰值力，但增加的速度远小于位移;第4 阶段钢绞线杆体发生分次断裂，随着位移的不断增 加, 峰值力也阶次降低。 柔性锚杆P -1,P -2和P -3峰值力分别为332, 338和351 kN,平均为340 kN,屈服力分别为293, 296和289 kN,平均为293 kN。对应的拉伸强度分别 为1 716,1 748和1 814 MP a，屈服强度分别为1 515, 1 531 和 1 494 MP a，屈强比为 0. 82 0. 88。 由图3可得,柔性锚杆杆体均是分次断裂,且 破断位置均在锁紧套管与钢绞线交界处附近,说 明拉伸实验后期锁紧套管对钢丝存在部分剪切力 的作用。 柔性锚杆破断形式是杆体分次断裂,印证了柔性 锚杆新型结构的安全性,没有出现锁紧套管被拉脱失 效的现象。 为了确保柔性锚杆在长期载荷作用下的 可靠性和安全性,需对柔性锚杆耐久性进一步测试分 析。 2耐久性实验系统及实验方案 2.1实验系统实验系统 自主研发了锚杆（索）耐久性实验系统,对在长 期载荷作用下的柔性锚杆进行耐久性测试, 如图 4 所 示。图4（a）为耐久性实验系统示意图，图4（b）为耐 久性实验系统实际工作图。由图可得,耐久性实验系 统主要是由承载架、张拉泵站、保压装置、拉力油缸、 油压监测系统、油压传感器、截止分流阀和油管等组 成，其中，系统有10个拉力油缸，可对10个柔性锚杆 样品同时进行实验。 拉力 油缸 油管 张拉泵站 截止分流阀 承载架 （a）示意图 油压监测系统 （b）实际工作图 图4耐久性实验系统 Fig . 4 Du r a bil it y t est syst em 第9期谢正正等 长期载荷作用下柔性锚杆力学特性及工程应用3099 利用张拉泵站手动对耐久性实验系统进行加压, 当油压达到设定压力时,依靠保压装置中上下钢管面 积差带来压强差的因素使得承重钢板升起实现油压 的保持;油管连通张拉泵站、保压装置及拉力油缸,通 过油压传感器将油压信号传输到油压监测系统，进而 对加载载荷进行实时监测和记录;系统中有3个截止 分流阀，每个阀分别控制3个拉力油缸的卸压和升 压，因此，耐久性实验系统可同时测试4种加载环境 下柔性锚杆的耐久性力学特性。 2.2实验方案实验方案 利用锚杆 索 耐久性实验系统, 通过保压装置 实现油压的恒定,进而获取长期载荷加持作用下柔性 锚杆动态变化特征，并对这些锚杆样品进行静态拉伸 实验,拟合柔性锚杆的载荷-位移曲线，分析其长期 载荷作用下的力学特性。 实验准备和测试工作主要 分为 3 部分。 1 准备017. 8 mm柔性锚杆样品10个,锚杆长 度均为800 mm,将这些锚杆样品分为4组,分别为O 组、A组、B组和C组。O组只有1个样品；AC组 均有3个样品，编号为A-1,A-2,A-3,B-1,B-2,B- 3,C-1,C-2,C-3。由于巷道开挖后的裸露顶板通常 不太平整,且有时顶板有含水层等因素，因此，在此次 实验中设置不同安装角度和不同淋水环境，重点考察 这2种相似工程环境对锁紧套管与钢绞线杆体间摩 擦力的影响。 由于O组样品可单独控制,不影响A,B和C组 柔性锚杆样品的实验，拟对O组样品进行长时加载, 观察加载过程中锚杆的稳定性和变化特征，本文不对 其进行力学分析。AC组长期加载时间均设置为5 个月，其中,A组不做任何处理,作为对照组；B组样 品均被设置为淋水环境，而柔性锚杆B1表面没做任 何防锈处理，锚杆B-2表面涂抹防锈液压油，锚杆 B-3表面涂抹环氧沥青，防锈材料如图5a 所示;C 组锚杆样品托盘安装的角度分别5 ,10和15,倾斜 托盘如图 5 b 所示。 2 将柔性锚杆长期载荷设定为屈服载荷的 50，约为150 kN,以超出工程应用时设定预紧 力100 kN的50。待柔性锚杆样品安装到承载架 后，打开3个截止分流阀使液压油串联流通。打开油 压监测系统和水流开关,并用张拉泵站对实验系统进 行加压，当载荷超过150 kN后，停止加压。油压监测 系统每6 h采集一组压力数据,每天采集4组数据。 由于油管连接复杂,过程中有可能会有极少量液压油 外泄,造成压力会有小幅波动下降，需要人工对实验 系统及时加压。 b不同倾斜托盘 图5 2种加载环境 Fig . 5 Two l o a din g en v ir o n men t s 3长期加载过程中需定期观察和记录柔性锚 杆样品表面或其他特征的变化;长期加载时间达到5 个月后，关闭3个截止分流阀和水流开关，取出AC 组柔性锚杆样品；采用MTS电液伺服试验机对其进 行静态拉伸实验,分析长期载荷作用下不同加载环境 柔性锚杆的力学特性。 3长期载荷下柔性锚杆力学特性 3.1载荷波动性变化特征载荷波动性变化特征 AC组柔性锚杆加载载荷-时间波动曲线如 图6所示，加载时间为5个月。由图6可得，载荷- 时间曲线呈现锯齿状变化特征，当张拉泵站对实验 系统加压后，系统载荷瞬时达到相对高点，由于油 管等存在密封性不足的问题，载荷先迅速下降后震 荡缓慢下降到相对低点，然后人工再对系统进行加 压，载荷又达到相对咼点，平均每2周左右对耐久 性实验系统加一次压力并补充液压油。由于巷道 掘进具有周期性开挖的特征[17],围岩应力受到割煤 的影响而产生波动，进而会对周边锚杆的轴向载荷 产生相应的影响, 在这一点上,耐久性实验系统中 长期载荷的波动性与工程现场锚杆轴向载荷的波 动性具有一定的相似性。 3.2长期载荷下柔性锚杆力学性能长期载荷下柔性锚杆力学性能 采用MTS电液伺服试验系统对卸载后的A组柔 性锚杆进行静态拉伸实验,得到柔性锚杆拉伸力-位 移曲线图。由图7可得,长期载荷作用后的柔性锚杆 拉伸力-位移曲线图也经历4个阶段，曲线变化趋势 与未进行长期加载的柔性锚杆类似。同时也发现，经 3100煤 炭 学 报2020 年第 45 卷 过长期载荷后曲线变得非常平滑，说明由于长期载荷 的作用使得杆体各股钢丝得到充分调整与适应，受力 更加均匀。柔性锚杆A-1,A-2和A-3峰值力分别 为335,340和334 kN,平均为336 kN；屈服力分别为 290,291和295 kN,平均为292 kN；屈强比为0. 86 0.88。与未经过长期加载的P组柔性锚杆对比,A组 柔性锚杆峰值力和屈服力分别降低1.2和0. 3, 由此说明了长期加载对锁紧套管与钢绞线杆体之间 的摩擦力影响相对较小,柔性锚杆仍能保持其自身的 稳定性和力学特性。 5 5 1515 4545 4040 160160 图6耐久性实验系统载荷-时间波动曲线 Fig . 6 Lo a d-t ime fl u c t u a t io n c u r v e o f du r a bil it y t est syst em 0 8 16 24 32 40 位移/mm 图7长期载荷下柔性锚杆拉伸力-位移曲线 Fig . 7 Ten sil e fo r c e-displ a c emen t c u r v es o f bo l t u n der l o n g -t er m l o a d 3.3长期载荷下淋水环境柔性锚杆力学特性长期载荷下淋水环境柔性锚杆力学特性 长期的淋水环境会导致柔性锚杆出现锈蚀,B组 柔性锚杆锈蚀状况如图8所示。柔性锚杆B-1未经 过任何处理,杆体直接裸露在淋水环境中;柔性锚杆 B-2和B-3杆体及锁紧套管分别涂抹环氧沥青和抗 锈液压油。由图8可得，锚杆B-1锈蚀情况最为严 重，经观测不仅表面出现锈蚀，且在锁紧套管内部也 出现锈蚀，如图8a 所示;锚杆B-2效果最好，仅托 盘出现锈蚀，如图8b所示;锚杆B-3仅表面出现 锈蚀,锁紧套管内部并未出现锈蚀，如图8c 所示。 将B组柔性锚杆进行拉伸实验，拟合出长期载荷下 淋水环境柔性锚杆拉伸力-位移曲线，如图9所示。 图8 B组柔性锚杆锈蚀状况 Fig . 8 Co r r o sio n c o n dit io n o f Gr o u p B fl ex ibl e a n c h o r 400 320 240 君160 80 图9长期载荷淋水环境下锚杆拉伸力-位移曲线 Fig . 9 Ten sil e fo r c e-displ a c emen t c u r v es o f bo l t a n d wa t er en v ir o n men t u n der l o n g -t er m l o a d 由图9可得,3种柔性锚杆拉伸力-位移曲线呈 现出差异化的演化特征。由于柔性锚杆B-1表面与 锁紧套管内部均已锈蚀,造成锁紧套管与钢绞线杆体 之间的摩擦力减小，在屈服阶段表现出差异化特征, 即拉伸力达到屈服载荷后出现明显的下降，最终钢丝 发生分次断裂破坏。经观察，柔性锚杆B-1在屈服 阶段时，锁紧套管与杆体间出现微小的滑脱,此时锚 杆峰值力仅为307 kN,比未进行长期加载的柔性锚 杆降低10。柔性锚杆B-2和B-3均经过防锈处 理,淋水环境下锁紧套管内部并没有发生锈蚀,使得 锚杆拉伸力-位移曲线大致类似，且峰值拉伸力并没 有降低，分别为339,335 kN。由此得出，柔性锚杆经 过淋水侵蚀作用后,力学性能会发生较大改变,但经 过防锈处理后, 柔性锚杆仍能保持原有力学性能。 因 第9期谢正正等 长期载荷作用下柔性锚杆力学特性及工程应用3101 此,在工程应用之前柔性锚杆必须经过防锈蚀措施, 从施工方便的角度出发,采用液压油防锈处理更为合 理。 3.4长期载荷下不同安装角度柔性锚杆力学特性长期载荷下不同安装角度柔性锚杆力学特性 C 组柔性锚杆安装方式如图 10 所示, 柔性锚杆 C-1,C-2和C-3托盘倾角分别为5,10和15,用 来反演巷道裸露顶板的不平整度。C组柔性锚杆经 过拉伸实验后拟合出其拉伸力-位移曲线，如图11 所示。 图10 C组柔性锚杆安装方式 Fig . 10 In st a l l a t io n met h o d o f Gr o u p C fl ex ibl e a n c h o r 由图11可得，不同安装角度柔性锚杆拉伸力- 位移曲线趋势大致相同，其中，锚杆C-1,C-2和C-3 峰值力分别为344,341和333 kN。当柔性锚杆安装 角度W10。时（即锚杆C-1,C-2），锚杆拉伸力随位移 的变化规律基本一致，两者拉伸的峰值力也大致相 0 8 16 24 32 40 位移/mm 图11长期载荷不同安装角度锚杆拉伸力-位移曲线 Fig . 11 Ten sil e fo r c e-displ a c emen t c u r v es o f bo l t wit h differ en t in st a l l a t io n a n g l es u n der l o n g -t er m l o a d 同,只是在破断阶段钢丝断裂的数量有所差别;当柔 性锚杆安装角度＞10时（即锚杆C-3）,柔性锚杆屈 服阶段的位移量变小，说明安装角度过大时锁紧套管 对钢丝具有一定的剪切力；当钢丝出现弱面损伤时, 柔性锚杆峰值力将会降低。由此说明了巷道裸露顶 板的不平整度过大时，对于柔性锚杆的力学性质有所 影响，但总体影响不大。 3.5柔性锚杆力学特性差异性对比分析柔性锚杆力学特性差异性对比分析 将有无长期载荷作用的柔性锚杆峰值力、位移及 延伸率绘制到表1中。由表1可得，经过长期加载后 柔性锚杆的峰值力略有降低，同时由于钢绞线钢丝被 张紧的原因，延伸率也有明显降低，平均降低16。 柔性锚杆B-1经过淋水侵蚀作用后，峰值力较A组 平均值降低基本顶为细砂岩，平均厚度 为距掘进工作面20 90 m范围内是缓慢调整期。 巷道最终稳定后顶板下沉量和两帮收敛量分别为 15 mm和23 mm;柔性锚杆轴向载荷分别为109和 104 kN,锚杆工作性能稳定。由此说明，柔性长锚杆 在顶板构建了厚层承载圈层，抑制了巷道的变形，巷 道围岩控制效果明显改善，巷道支护状况如图13c 所示。 4.2柔性锚杆在大倾角强烈动压影响梯形巷道中应柔性锚杆在大倾角强烈动压影响梯形巷道中应 用用 山西保利裕丰煤业有限公司位于山西省乡宁县 昌宁镇，井田地质赋存复杂，煤层倾角非常大,极易出 现巷道片帮、垮帮现象[18],给安全生产带来极大威 胁。与此同时，受制于地质条件与支护工艺限制，掘 进速度仅为300 m/月，采掘接替十分紧张。因此，为 了保证施工的安全性,又能提高支护效率，采用分级 支护方式,即顶板柔性锚杆和两帮螺纹钢锚杆及时支 护为一级支护，煤帮锚索滞后补强支护为二级支护。 第9期谢正正等长期载荷作用下柔性锚杆力学特性及工程应用3103 112 96 88 80 N w fe N w fe 礙叵理定理苣袜 104 0 25 50 75 100 125 150 距掘进工作面距离/m b柔性锚杆轴向载荷监测曲线 c 巷道支护状况 图13巷道矿压监测结果 Fig . 13 Mo n it o r in g r esu l t s o f t h e r o a dwa y 4. 2.1试验巷道工程地质条件 12下06工作面回风巷作为试验巷道，其上方 13 m的位置有12上02采空区和12上03采空区，相邻 工作面为12下08采空区，因此，试验巷道经受多次采 动影响，巷道控制难度高。开采的煤层为2下煤，煤厚 3. 40 4.00 m,平均 3. 70 m,煤层倾角 13 31,平 均22。煤层上方直接顶是由泥岩和粉砂岩组成，平 均厚度1. 1 m;基本顶是细粒砂岩，平均厚度5. 4 m。 4. 2. 2 柔性锚杆支护设计 巷道断面为梯形巷道，巷道宽度为4 200 mm,高 帮高为3 900 mm,低帮高为2 350 mm。采用理论分 析、数值计算和工程经验，确定回风巷顶板采用柔性 锚杆单一支护,帮部采用锚杆索复合支护，巷道锚杆 支护布置如图14所示。煤层倾角起伏变化较大，且 倾角越大高帮控制难度越大。因此，以煤层平均倾角 22。为划分点，当倾角a W22。时，巷道支护布置如图 14a 所示;当倾角22a31时，巷道支护布置如图 图14柔性锚杆支护布置 Fig . 14 La yo u t o f fl ex ibl e bo l t su ppo r t 以煤层倾角a W22为例，巷道顶板共布置5根 柔性锚杆，规格为017. 8 mm X 4 000 mm,间排 距1 100 mmX1 200 mm,锚杆预紧力不低于80 kN , 锚固力不低于150 kN;顶板采用06 mm钢筋网,规格 为4 600 mmX1 300 mm,搭接长度100 mm。高帮布 置5根螺纹钢锚杆和1根锚索，排距均为1 200 mm； 低帮布置4根螺纹钢锚杆。当煤层倾角22a31 时,顶板支护形式不变,仅高帮多布置1根锚索加强 支护。顶板柔性锚杆和两帮螺纹钢锚杆在掘进端头 区域及时支护来提高巷道掘进的高效性，高帮滞后补 强支护来进一步约束煤帮的变形，确保巷道的安全 性。 4・2・3矿压监测数据分析 1锚杆支护效率分析。制约掘进速度的主要 因素为掘进端头区域的密集支护，采用每排7根锚杆 3104煤 炭 学 报2020年第45卷 3根锚索的复合支护，锚杆和锚索排距分别为 800 mm和2 400 mm,造成煤巷掘进速度仅为 12 m/do为了权衡安全和效率的问题，采用了分级 分区域支护方法，掘进端头简约支护提效率，滞后区 域加强支护保安全。新支护技术将掘进速度提升至 18 m/d,提升率达50。 2矿压监测数据分析。对试验巷道的表面位 移、锚杆受力等进行矿压监测，监测数据如图15所 示。由图15a 可得，巷道围岩基本稳定时,巷道顶 板下沉量约为20 mm,两帮收敛量约为35 mm。由于 巷道围岩经受过邻近采动应力的影响，围岩稳定距离 相对较长，约为150 m。由图15b可得，柔性锚杆 轴向载荷稳定范围也达100 m,锚杆载荷最终达到 120 kN左右，比初始值提升了约50，证明柔性锚杆 在早期就能立即承载实现对围岩变形的控制,有利于 巷道后期的稳定，巷道支护状况如图15c 所示。 4.3柔性锚杆在高应力大断面巷道中应用柔性锚杆在高应力大断面巷道中应用 中煤新集能源股份有限公司刘庄煤矿作为东部 千万吨级现代化矿井，一直存在采掘失调、煤巷掘进 速度偏低等突出问题，与此同时，随着采深的不断下 延，围岩变形具有长期持续性［19］，造成巷道支护的难 度进一步加大。为了解决安全与效率的问题，选择典 型深部巷道开展柔性锚杆支护技术试验。 4. 3. 1 试验巷道工程地质条件 171307工作面轨道巷作为本次柔性锚杆的试验 巷道，属于实体煤巷，巷道埋深548 657 m,平均 600 m。13-1煤为本区域的主采煤层，厚度5. 70 - 6. 49 m,平均为6. 07 m。煤层上方直接顶是泥岩，厚 度为0.503.20 m,平均厚度为1. 17 m;基本顶是细 砂岩，厚度2. 00 16. 40 m,平均厚度为4. 96 m。 4. 3. 2 柔性锚杆支护设计 深埋巷道矿压显现剧烈,柔性锚杆支护时需充分 发挥单根柔性锚杆的支护效能。根据数值计算和工 程经验类比,需要进一步提升柔性锚杆的抗拉强度来 适应深部巷道的应力波动，因此，本次试验选用19股 钢绞线杆体的柔性锚杆, 巷道支护具体布置如图 16 所示。 巷道断面为直墙三心拱,宽度为6 000 mm,最大 高度为4 200 mm,属于大断面巷道。巷道顶板布置7 根柔性锚杆，规格为021. 8 mmX4 080 mm,间排距 890 mmX1 100 mm,锚杆预紧力不低于100 kN,锚固 力不低于200 kN。两帮均布置4根螺纹钢锚杆和1 根锚索，锚杆规格为022. 0 mm X 2 500 mm,排距 为 1 100 mm; 锚索规格为 021.