马盟盟 崔督振
山东省新汶矿业集团翟镇煤矿，山东 新泰 271204
摘 要：为了改善矩形巷道层状顶板离层状况，提高顶板岩层的自承能力、减小顶板中的拉应力区，使顶板达到组合梁最佳强度。以某矿6203运输巷道为工程背景，分析了组合梁预应力锚杆支护理论，研究结果表明，当锚杆预应力达到一定值时，可以改善锚固岩体力学性能，锚固顶板可取得最佳组合梁的效果，对于控制顶板离层的出现和发展、提高巷道支护效果具有重要的作用。
关键词：预应力；层状顶板；离层；数值模拟
0 前言
采动改变了原岩应力场，大幅降低了围岩的岩石强度，引起围岩应力重新分布，巷道顶板岩层同时受到自重和水平推力的作用，顶板岩层弯曲下沉且各岩层间发生离层。巷道顶板产生弱面离层以后，顶板的承载能力将大幅度减弱，进而可能导致顶板事故。岩层的破裂和离层是引起巷道顶板破坏主要原因，为维护顶板的完整性，改善矩形巷道顶板离层状况，提高顶板岩层的自承能力、减少或消除顶板中的拉应力区就成为支护的关键点。本文以某矿6203运输巷道为工程背景，探讨了锚杆预应力对顶板离层变形的控制效应，对类似巷道顶板离层变形控制及支护设计提供参考。
1 工程概况
某矿6203运输巷道，其巷道断面形状为矩形，宽4.0m，高2.6m，沿煤层底板掘进，顶部为采空区，上覆采空区地压释放对其有一定影响，变形破坏集中在巷道顶板位置。3下煤层综合柱状图如图1所示，巷道围岩性质差，顶、底板以层状砂岩、砂质泥岩为主，层间胶结物与上下层岩石没有融合成连续介质，存在层理弱面，岩层也存储了较大变形能。围岩开挖卸荷释放弹性变形能，层间填充物黏聚力大大降低，上下层状岩层因胶结组合强度不够而发生离层、错动，造成巷道顶板岩体失稳破坏。为阻止层状岩层变形离层、错动，巷道支护形式为预应力锚杆支护。
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2 组合梁预应力锚杆支护理论分析
巷道顶板悬露的上覆岩层，可简化为在均布载荷作用下的多层嵌固梁。图2为层状岩层相互夹持组成的嵌固梁，该岩梁弯曲沉降过程中在平行于轴向的个岩层面上必然出现剪应力。当剪应力超过层面或软弱夹层接触面上所允许的黏聚力和摩擦阻力时，弱面即被剪坏，离层随即发生[9]。因此，发生离层的力学条件可总结为：
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式中，τ为接触面或层面上的剪应力，MPa；C为接触面或层面的黏聚力，MPa；为接触面或层面上的压应力，MPa；为接触面或层面的内摩擦角，（°）。
巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板，预应力锚杆的高预应力能够防止控制范围内分层岩层之间离层，使岩块之间的裂隙闭合、滑移面上的摩擦力增大；将锚固范围内层状顶板“装订”在一起，增大破坏面的抗剪强度，组合成一个较厚的组合梁，减少顶板中的拉应力区及组合岩层的最大拉应力及挠度，使顶板达到组合梁最佳强度。而且，组合梁厚度越大，梁内的最大应力和梁的挠度也就越小。组合梁预应力锚杆支护模型如图2所示。
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3 现场实测研究
为观测层状顶板离层状况，共设置了5个测站，对巷道顶板下沉以及锚杆受力情况进行了测定研究。图3、4分别给出了巷道顶板下沉以及锚杆受力时间变化曲线。
由图3可知，第3断面应力变化最小，其余断面顶板锚杆应力变化幅度较第3断面大，变化均保持在一定范围；第1断面应力变化幅度最大，这也正符合现场实际情况，与施工及观测相
吻合，根据施工过程中压力的变化，显示了锚杆支护系统的合理有效。由图4可知，随时间延续，
巷道顶板离层量逐渐增加，离层速度呈现减小的
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趋势，顶板下沉量及下沉速度最终稳定并保持在一定值，最大离层量达到了30mm；巷道各断面顶板下沉量都在预计范围内，说明当前采用的锚杆支护系统预应力的选择能够保证巷道的正常安全使用。
4 结论
1）围岩开挖卸荷释放弹性变形能，层间填充物黏聚力大大较低，上下层状岩层因胶结组合强度不够而发生离层、错动，造成巷道顶板岩体失稳破坏，提高顶板岩层的自承能力、减少或消除顶板中的拉应力区就成为支护的关键点。
2）锚杆预应力是保证支护单元能效发挥的关键因素，可以对围岩提供显著的轴向和横向约束，减少顶板中的拉应力区及组合岩层的最大拉应力及挠度，使顶板岩层达到组合梁最佳强度。
3）锚杆预应力值的大小对岩层控制效果有较大影响，当锚杆预应力达到一定值时，可以明显改善锚固岩体力学性能，对于控制顶板离层的出现和发展、提高巷道支护效果具有重要的作用。