侯 伟
（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030051）
引言煤矿开采过程中的巷道支护是保证矿井安全的必备条件，我国地下开采的煤矿众多，巷道支护的安全性对我国煤矿的生产安全具有重要的影响。锚杆支护是我国巷道支护发展应用的新技术，具有支护效果好、回采速度快的优点[1]，并可降低现场施工作业的强度，在煤矿巷道支护中取得了广泛的应用。在进行巷道锚杆支护的过程中，锚杆的预应力是保证支护安全的重要参数，特别是随着矿井地质条件的变化[2]，复合岩层中锚杆的应力分布扩散对改善岩层的力学性能及支护安全具有重要的影响，预应力场是岩体与锚杆相互作用的基础[3]，对于锚杆支护的设计使用具有重要的意义。针对锚杆进行复合岩层支护时应力的变化采用实验的方式进行分析研究，从而对煤矿巷道支护的设计使用提供参考，提高煤矿支护的安全性。
1 锚杆复合岩层支护实验方案设计煤矿进行地下开采的过程中，由于煤层埋藏的地质条件多为沉积岩及层状地层，巷道进行支护多作用在井下的复合岩层中，复合岩层各层间的黏接力、强度等具有较大的差异性，对锚杆的支护性能具有较高的要求[4]。在进行煤矿开采的过程中，锚杆支护在复合岩层中的穿层顺序、锚固方式、锚杆数量等均对锚固的效果具有重要的影响，选择单根锚杆由硬岩向软岩方向锚固作为实验的对象，在硬岩表面施加相应的预紧力，对锚杆在复合岩层中穿层时预应力场的分布进行研究。
实验采用左旋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，锚杆长度为2.4 m，模拟岩层中锚杆的钻孔直径为30 mm，采用树脂锚固剂进行锚固，锚固剂的直径为23 mm，长度为35 mm，进行锚杆端部锚固的长度为445 mm，锚杆锚固示意如图1 所示，其中（a）段为软质岩层，（b）段为硬质岩层，软硬岩层的体积相同，在软硬岩层交界面位置不采用锚固剂。
实验过程中对复合岩层采用水泥砂浆作为相似材料进行模拟，将水泥与砂进行混合制备，通过改变不同的水、水泥及砂的比例及不同型号的水泥改变砂浆的力学性能，从而模拟不同的岩层。实验过程中制备两种水泥砂浆的抗压强度相差2 倍以上模拟不同岩层的复合作用，软岩砂浆的强度为15 MPa，硬岩砂浆的强度为30 MPa，对水泥砂浆在养护箱内进行28 d标准养护。
实验过程中对锚杆在一定预紧力作用下的应力变化进行分析，实验数据采集系统包括对锚杆预紧力的采集及应力场的采集，锚杆的预紧力采用ZHC-35型载荷传感器通过应变片的形式进行采集，从而在给定的预紧力作用下进行实验分析；锚杆支护的应力场的变化数据通过在模型内部布置大量的XYJ-2 型埋入式混凝土应变传感器采集，将埋入式传感器制作成应变块从而提高传感器采集的稳定性，避免传感器的损坏。数据采集过程中，传感器的长度为150 mm，将其埋入200 mm×60 mm×60 mm 的混凝土模块中，每间隔100 mm 埋入一个应变块，在高度方向上，每间隔125 mm 为一个监测平面，从而实现对模型块内部应力的测量，应力测试传感器的布置如下页图2 所示，其中1、2、3、4 为固定的4 根锚杆，传感器全部布置在区域I 中。
实验过程中对4 根锚杆进行单独加载分析，对1号锚杆加载时，得到I 号区域内复合岩层的应力变化，2 号锚杆加载时，得到2 号锚杆在I 号区域内复合岩层的应力变化，以此类推，由于模型的对称性分布，经过4 根锚杆的测试，对称得到1 号锚杆为中心时周围2×2 m 内的应力，从而得到锚杆在复合岩层中支护应力的变化。
2 锚杆复合岩层支护应力的变化结果分析对4 根锚杆在预紧力100 kN 的作用下分别进行测试，将得到的传感器数据进行换算，得到以锚杆为中心时复合岩层的应力变化在高度方向上的截面如图3 所示。在支护过程中，区域内为软硬复合岩层，其中锚杆沿Y 方向0～1 500 mm 为软岩层，1 500～3 000 mm 为硬质岩层，锚固段为2 000～2 400 mm，自由段为0～2 000 mm。从图3 中可以看出，在复合岩层中进行支护形成的应力场分布与单一岩层的类似，在自由段的两端形成了较大的两个压应力集中区域，在锚固段形成了一个拉应力集中区域，形成应力分布的两压一拉区域。在软硬岩层铰接的结构面上，应力在两侧有一定的积聚，形成了较高的压应力带，且硬岩部分的应力带更多。
对应力在锚杆轴向分布变化进行分析，选取不同X 方向上的应力沿着Y 方向的变化数据进行分析，得到应力沿锚杆轴线的变化如图4 所示。从图4 中可以看出，进行复合岩层支护时，沿着锚杆轴向方向Y 值的增加，压应力呈快速减小的趋势，在靠近锚固段的位置时逐渐升高，然后转变为拉应力，呈逐渐上升的趋势。在X 方向不同的位置处，远离锚杆位置处的应力变化逐渐减缓，靠近锚杆位置处的应力变化较快，这与单一岩层支护的应力变化一致。其中在Y=1 500 mm软硬岩层的结构面位置，压应力的作用快速上升。
在锚杆的中心位置处，对锚杆支护的应力沿X方向的扩散半径进行分析，得到如图5 所示的应力变化曲线，从图5 中可以看出，在复合岩层支护的应力峰值在锚杆的轴线位置，且沿着扩散半径迅速的衰减，这与单一岩层的应力扩散相似。不同之处在于在软硬岩层的结构面存在岩层的差异，此时在扩散半径500 mm 之内的压应力值较高，这说明锚杆支护在复合岩层中在结构面形成了较广泛的压应力区域，可以有效抵抗结构面的离层，提高支护的安全性。
3 结论采用实验分析的方式对单根锚杆进行复合岩层支护的应力进行分析，实验采用端部锚固加载的方式进行，结果表明：
1）单根锚杆进行复合岩层支护过程中应力分布与单一岩层的类似，形成应力分布的两压一拉区域；
2）应力分布沿锚杆轴线的不同位置处分布与单一岩层支护的应力变化一致，远离锚杆位置处的应力变化逐渐减缓，靠近锚杆位置处的应力变化较快；
3）应力分布沿X 方向的扩散半径迅速衰减，与单一岩层的应力扩散相似，在扩散半径500 mm 之内的压应力值较高，形成压应力作用带，抵抗复合岩层的离层。
