深部巷道長(zhǎng)錨桿支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用

于明江，劉國(guó)保，李 飛，李家全，蔡 猛

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

近年來(lái)，隨著對(duì)煤炭資源開采強(qiáng)度的增大，煤礦開采的深度越來(lái)越大，越來(lái)越多的礦井進(jìn)入深部開采狀態(tài)［1］。伴隨著開采深度的加大，巷道逐漸處于高應(yīng)力環(huán)境中，深部巷道的支護(hù)出現(xiàn)了一系列的問(wèn)題，巷道圍巖變形量大，支護(hù)困難，常出現(xiàn)冒頂及片幫事故，對(duì)此類巷道的支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)往往試圖通過(guò)增加支護(hù)強(qiáng)度來(lái)達(dá)到控制變形的目的，但效果不太理想［2］。國(guó)內(nèi)學(xué)者在深部巷道的支護(hù)方面進(jìn)行了大量研究，如康紅普［3］等針對(duì)千米深井巷道，提出了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，通過(guò)大幅提高支護(hù)系統(tǒng)的剛度和強(qiáng)度來(lái)保證圍巖的完整性;郭志飚［4］等針對(duì)深部高應(yīng)力強(qiáng)膨脹節(jié)理化復(fù)雜軟巖，提出了采用錨網(wǎng)索－桁架耦合支護(hù)技術(shù);王衛(wèi)軍［5］等分析了深井煤層巷道圍巖變形特征和支護(hù)失效的原因，提出此類巷道的內(nèi)外結(jié)構(gòu)耦合平衡支護(hù)原理;孫廣義［6］等認(rèn)為深部巷道支護(hù)應(yīng)以護(hù)為主，防止圍巖破裂范圍擴(kuò)大;何滿潮［7］等總結(jié)了適用于深部軟巖大變形巷道的設(shè)計(jì)方法和控制技術(shù)，提出了以橫阻大變形錨桿為主體的支護(hù)技術(shù)。

然而關(guān)于深部巷道長(zhǎng)錨桿支護(hù)方面，研究成果較少。本文首先分析了深部巷道圍巖的變形破壞特征，并對(duì)長(zhǎng)錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入研究，闡述了長(zhǎng)錨桿的圍巖控制機(jī)理及其在支護(hù)方面的優(yōu)越性?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，采用長(zhǎng)錨桿支護(hù)，圍巖控制效果更佳。

1 深部巷道圍巖變形破壞特征

筆者通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)［2，8－10］，并在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓規(guī)律監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，分析并總結(jié)出了深部巷道的變形破壞特征，主要有以下幾個(gè)方面:

(1)巷道圍巖變形量大，支護(hù)體破壞嚴(yán)重隨著煤礦開采深度的增加，地應(yīng)力越來(lái)越大，由此形成了較大的破碎區(qū)和塑性區(qū)，尤其當(dāng)巷道受采動(dòng)影響時(shí)，巷道變形量會(huì)急劇增加，普通的錨桿錨索支護(hù)已很難奏效。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明此類巷道的變形量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了錨索的延伸量，導(dǎo)致錨索在支護(hù)過(guò)程中大量破斷，巷道變形量進(jìn)一步加劇。

(2)巷道圍巖變形具有持續(xù)性 在高應(yīng)力作用下，圍巖逐漸由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，塑性狀態(tài)的巖石表現(xiàn)為流變特性，普通錨桿僅能轉(zhuǎn)移淺部的應(yīng)力，錨索在這種大變形巷道中失效程度嚴(yán)重，造成深部圍巖持續(xù)變形，巷道需要經(jīng)常擴(kuò)修才能保證正常的生產(chǎn)要求。

(3)圍巖變形的不可控性 在這種深部煤層巷道中，圍巖變形相當(dāng)一部分處于給定變形狀態(tài)，支護(hù)阻力對(duì)圍巖變形的控制作用有限，高強(qiáng)度的支護(hù)阻力并未有效減緩巷道的變形程度，反而錨索破斷現(xiàn)象依然存在，巷道冒頂時(shí)有發(fā)生，支護(hù)成本居高不下。

2 長(zhǎng)錨桿支護(hù)技術(shù)研究

與普通的長(zhǎng)錨桿相比，它不是靠加大桿體的長(zhǎng)度來(lái)增加錨桿的長(zhǎng)度，而是通過(guò)兩段或多段普通桿體的對(duì)接來(lái)實(shí)現(xiàn)錨桿的加長(zhǎng)［11］。

2.1 長(zhǎng)錨桿的組成結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)錨桿分為2種，一種是頂板長(zhǎng)錨桿，另一種是幫部長(zhǎng)錨桿，它們均由桿體，錨頭和錨尾組成。

(1)頂板長(zhǎng)錨桿在錨頭和錨尾之間設(shè)置有至少一個(gè)連接部，錨桿的長(zhǎng)度根據(jù)支護(hù)實(shí)際需要由兩段或多段桿體對(duì)接而成，每段的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般有1.5m，2m和2.5m 3種規(guī)格。具體結(jié)構(gòu)形式如圖1(a)所示。

(2)幫部長(zhǎng)錨桿的桿體部分和連接部分與頂板長(zhǎng)錨桿相同，但錨尾部分為一剛性長(zhǎng)螺紋結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度大于桿體強(qiáng)度，長(zhǎng)度為0.5～1.2m。具體結(jié)構(gòu)形式如圖1(b)所示。

圖1 長(zhǎng)錨桿結(jié)構(gòu)

錨桿接頭連接部由桿體敦粗結(jié)構(gòu)與高強(qiáng)連接螺栓組成，連接部?jī)?nèi)置有內(nèi)螺紋，與具有外螺紋的連接螺栓相匹配，如圖2所示，強(qiáng)度不低于桿體段強(qiáng)度，連接頭的承載力在180kN以上，保證了錨桿的整體強(qiáng)度。

圖2 長(zhǎng)錨桿接頭連接部

錨桿的材質(zhì)為無(wú)縱筋左旋螺紋鋼，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)其拉伸試驗(yàn)可知，φ20mm×2000mm左旋螺紋鋼桿體的破斷載荷接近200kN，屈服強(qiáng)度為385MPa，抗拉強(qiáng)度為610MPa，最大伸長(zhǎng)量大于300mm，延伸率為15%～18%;由此可知，長(zhǎng)錨桿相比錨索強(qiáng)度較小，但具有較大的延伸率。

2.2 不同支護(hù)系統(tǒng)數(shù)值模擬分析

為了說(shuō)明長(zhǎng)錨桿在巷道支護(hù)中的優(yōu)越性，以某深部大變形巷道地質(zhì)條件為背景，進(jìn)行了FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)比分析巷道采用錨桿錨索與長(zhǎng)錨桿支護(hù)的區(qū)別。模擬中巷道埋深約700m，巷道頂?shù)装逄卣骷傲W(xué)參數(shù)見表1，巷道圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾－庫(kù)侖模型。錨桿錨索支護(hù)方案分別采用普通支護(hù)強(qiáng)度與高強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。在普通支護(hù)方案中，頂板為2根 φ21.6mm×8000mm錨索加6根 φ20mm×2400mm普通錨桿，幫部為4根φ20mm×2400mm普通錨桿，錨桿錨索預(yù)緊力均為100kN。在高強(qiáng)支護(hù)方案中，頂板及幫部錨桿錨索規(guī)格與普通支護(hù)方案相同，但同一斷面內(nèi)頂板錨桿錨索數(shù)量是普通支護(hù)方案的1.5倍，預(yù)緊力不變。在長(zhǎng)錨桿支護(hù)中，頂板為 4根 φ20mm×5000mm長(zhǎng)錨桿加 6根φ20mm×2400mm普通錨桿，幫部為4根φ20mm×3700mm長(zhǎng)錨桿，錨桿預(yù)緊力為100kN，巷道圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾－庫(kù)倫模型。各支護(hù)方案塑性區(qū)分布特征見圖3。

表1 數(shù)值模擬中巷道頂?shù)装逄卣骷傲W(xué)參數(shù)

圖3 各支護(hù)方案塑性區(qū)分布

由圖3可看出，在不同的支護(hù)系統(tǒng)下，巷道塑性區(qū)范圍基本相同，對(duì)比各支護(hù)方案可發(fā)現(xiàn)，在頂板范圍內(nèi)，頂板長(zhǎng)錨桿與錨索均已錨固到深部穩(wěn)定圍巖中，在幫部，普通錨桿未錨固到深部穩(wěn)定圍巖，幫部長(zhǎng)錨桿依舊能錨固在深部穩(wěn)定圍巖。

可見在深部條件下，巷道塑性區(qū)范圍較大，加大支護(hù)強(qiáng)度對(duì)塑性區(qū)改變很小 (見圖 3(a)，(b))，巷道變形依舊會(huì)很大;常規(guī)的錨桿錨索支護(hù)已不再適用，頂板錨索雖能錨固到深部穩(wěn)定圍巖，但其較低的延伸率也決定了它在支護(hù)大變形巷道時(shí)容易破斷失穩(wěn)，幫部普通錨桿已不能錨固到深部穩(wěn)定圍巖，更不能保證巷道的穩(wěn)定性，長(zhǎng)錨桿對(duì)支護(hù)深部大變形巷道優(yōu)勢(shì)顯著。

2.3 長(zhǎng)錨桿圍巖控制機(jī)理及優(yōu)越性分析

2.3.1 長(zhǎng)錨桿圍巖控制機(jī)理

長(zhǎng)錨桿控制圍巖的作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)在深部巷道中，巷道的變形已為給定變形狀態(tài)，提高支護(hù)體的剛度與強(qiáng)度對(duì)圍巖的控制效果有限，對(duì)圍巖的控制要以柔性支護(hù)的理念進(jìn)行，柔性不是徹底的柔性，柔性的同時(shí)帶有一定的強(qiáng)度，通過(guò)柔性來(lái)釋放圍巖的壓力，通過(guò)強(qiáng)度來(lái)防止塑性區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

(2)對(duì)圍巖的控制中，保證長(zhǎng)錨桿具有穩(wěn)定的錨固力尤為重要，可根據(jù)巷道圍巖塑性區(qū)確定合理錨桿長(zhǎng)度，錨固到較為穩(wěn)定的深部圍巖中，維護(hù)已破碎圍巖的穩(wěn)定，避免巷道失穩(wěn)與冒頂事故。

(3)在支護(hù)中，長(zhǎng)錨桿具有較高的延伸率來(lái)適應(yīng)圍巖的大變形，避免了過(guò)度承載而破斷，并在支護(hù)過(guò)程中能提供較大阻力，將淺部塑性區(qū)圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部彈性圍巖，保證了深部圍巖的三向受力狀態(tài)，一定程度上約束了深部圍巖的變形。

(4)長(zhǎng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)能力較強(qiáng)，由于具有較大的柔性，托盤不會(huì)由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致巷道表層圍巖的破碎，能很好地維持圍巖的殘余強(qiáng)度。

(5)對(duì)于深部大變形巷道，應(yīng)采用長(zhǎng)短錨桿協(xié)調(diào)支護(hù)，長(zhǎng)錨桿控制較大范圍保證不發(fā)生大的冒頂，短錨桿控制淺部破碎圍巖防止小范圍漏頂。

2.3.2 長(zhǎng)錨桿支護(hù)的優(yōu)越性

(1)能根據(jù)巷道塑性區(qū)的大小設(shè)計(jì)錨桿的長(zhǎng)度，且每段桿體的長(zhǎng)度可自由設(shè)計(jì)，保證錨桿錨固到巷道深部穩(wěn)定圍巖中，增加了支護(hù)的有效性。

(2)長(zhǎng)錨桿桿體段延伸率超過(guò)15%，在巷道變形量較大時(shí)，能提供較大的延伸量，有效地適應(yīng)圍巖的大變形，在適應(yīng)的同時(shí)提供較大的支護(hù)阻力，這種支護(hù)思想是以讓壓來(lái)達(dá)到控制的目的，支護(hù)效果較好。

(3)此種錨桿不是一整段較長(zhǎng)的桿體，而是由多段短桿體對(duì)接而成，在巷道正常尺寸下整段較長(zhǎng)的桿體難以安裝，而此種錨桿可以利用錨桿轉(zhuǎn)機(jī)分別安裝，只需在安裝時(shí)在連接部對(duì)接即可，節(jié)省了大量空間，安裝較為方便。

(4)幫部長(zhǎng)錨桿的尾部為剛性長(zhǎng)螺紋結(jié)構(gòu)，在巷幫變形較大需要擴(kuò)幫時(shí)，能根據(jù)擴(kuò)幫尺寸大小將長(zhǎng)螺紋段鋸斷一部分再擰緊錨桿螺栓或只需擰緊錨桿螺栓，無(wú)需重新補(bǔ)打錨桿錨索，大幅提高工作效率的同時(shí)又避免了材料的浪費(fèi)。

3 工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證長(zhǎng)錨桿的支護(hù)優(yōu)越性，選取趙固礦區(qū)典型深埋巷道進(jìn)行試驗(yàn)，巷道埋深約600～800m，直接頂為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，水平層理，基本頂為大占砂巖，以石英為主。巷道斷面為矩形，巷道斷面尺寸為4800mm×3300mm。

3.1 原支護(hù)方式巷道變形破壞特點(diǎn)

巷道原有支護(hù)形式為錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)。具體支護(hù)形式為錨網(wǎng)索+鋼筋梯+W型鋼帶+16號(hào)槽鋼梁聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如表2所示。

表2 巷道原有支護(hù)參數(shù)

對(duì)此種支護(hù)形式下的巷道變形規(guī)律監(jiān)測(cè)表明，巷道的頂板變形主要集中在0～4m范圍內(nèi)，幫部變形主要集中在0～3m范圍內(nèi)，且變形主要發(fā)生在掘進(jìn)期間和受工作面采動(dòng)影響期間。在掘進(jìn)期間，頂板下沉量為230mm，兩幫移近量為438mm;在工作面回采期間，頂板下沉量為564mm，兩幫移近量則達(dá)到1080mm?？梢娫谠兄ёo(hù)形式下，巷道的變形量極大，并多次出現(xiàn)錨索被拉斷等支護(hù)失效現(xiàn)象，巷道破壞嚴(yán)重，巷道在服務(wù)期間需要經(jīng)常擴(kuò)修，嚴(yán)重影響了煤礦的正常安全生產(chǎn)。

3.2 新支護(hù)方案

對(duì)此類巷道的支護(hù)，應(yīng)能保證支護(hù)材料錨固到巷道深部穩(wěn)定圍巖，由巷道變形規(guī)律監(jiān)測(cè)可知，頂板4m以外圍巖為穩(wěn)定圍巖區(qū)域，幫部3m以外為穩(wěn)定圍巖區(qū)域，故所采用的頂板長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于4m，幫部長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于3m;頂板應(yīng)采用長(zhǎng)短錨桿協(xié)調(diào)支護(hù)，幫部全部采用長(zhǎng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，具體的巷道支護(hù)參數(shù)如下:

(1)頂板支護(hù)參數(shù) 采用頂板長(zhǎng)錨桿+普通螺紋鋼錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)。普通螺紋鋼錨桿規(guī)格為φ20mm×2400mm，頂板長(zhǎng)錨桿規(guī)格為 φ20mm×5000mm，錨桿間排距 800mm×1000mm，錨固長(zhǎng)度1200mm，錨桿托盤 δ10mm×150mm×150mm，與鋼筋梯配合使用，鋼筋梯長(zhǎng)度為4160mm配合3160mm使用。金屬網(wǎng)片使用φ5.6mm鋼筋焊制，金屬網(wǎng)片網(wǎng)幅 1000mm×1900mm，網(wǎng)片搭接100mm，每格用14號(hào)鉛絲綁扎。

(2)幫部支護(hù)參數(shù) 兩幫全部采用幫部長(zhǎng)錨桿，配合W型鋼帶與金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。幫部長(zhǎng)錨桿規(guī)格為φ20mm×3700mm，錨桿間排距900mm×1000mm，錨固長(zhǎng)度900mm，錨桿托盤為W型鋼帶，與規(guī)格為δ10mm×150mm×150mm托盤配合使用，金屬網(wǎng)與頂板金屬網(wǎng)相同。巷道支護(hù)斷面如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)斷面

3.3 支護(hù)效果

3.3.1 巷道支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

對(duì)支護(hù)效果的監(jiān)測(cè)分為兩方面，一是采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道頂板下沉量和兩幫的移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，二是對(duì)新支護(hù)方案中的頂板長(zhǎng)錨桿進(jìn)行工作阻力監(jiān)測(cè)。在試驗(yàn)巷道分別布置5個(gè)測(cè)站進(jìn)行監(jiān)測(cè)，巷道變形監(jiān)測(cè)表明，頂板及兩幫變形主要發(fā)生在前30d內(nèi)，故對(duì)巷道變形只進(jìn)行了60d的連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 新支護(hù)方案巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，采用新支護(hù)方案后，在掘進(jìn)期間，頂板平均下沉量為207mm，兩幫平均移近量為368mm;在回采期間，頂板平均下沉量為515mm，兩幫平均移近量為835mm;相比原支護(hù)方案，在掘進(jìn)期間頂板及兩幫圍巖變形量分別減少23mm和70mm，在回采期間頂板及兩幫變形量分別減少49mm和245mm，雖減少量有限，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，巷道破壞程度明顯減弱，長(zhǎng)錨桿由于其自身較好的延伸性能能很好地適應(yīng)巷道圍巖的大變形。長(zhǎng)錨桿工作阻力監(jiān)測(cè)表明，在巷道掘進(jìn)和回采期間，工作阻力在160～177kN的長(zhǎng)錨桿比例可達(dá)85%以上，平均工作阻力約為170kN，且未發(fā)生破斷現(xiàn)象，可見長(zhǎng)錨桿在頂板支護(hù)的全過(guò)程均保持了較好的工作狀態(tài)，在釋放圍巖變形壓力的同時(shí)保持了高強(qiáng)的支護(hù)阻力，圍巖控制效果較好。

3.3.2 幫部擴(kuò)幫效果

巷道表面位移監(jiān)測(cè)表明，即使采用長(zhǎng)錨桿支護(hù)，在工作面回采期間，兩幫移近量也較大，達(dá)到800mm以上，若采用普通錨桿支護(hù)，巷道必然要補(bǔ)打錨桿，此時(shí)幫部長(zhǎng)錨桿的優(yōu)勢(shì)再次凸顯，相比普通錨桿，長(zhǎng)錨桿特有的長(zhǎng)螺紋段能保證其在擴(kuò)幫時(shí)重新利用。具體擴(kuò)幫形式分為2種:當(dāng)擴(kuò)幫尺寸較小時(shí)，長(zhǎng)螺紋段在擴(kuò)幫后外露尺寸不大，不需切割長(zhǎng)螺紋段，只需將螺母重新擰緊即可;當(dāng)擴(kuò)幫尺寸較大時(shí)，長(zhǎng)螺紋段在擴(kuò)幫后外露尺寸較大，需要將螺母擰緊后切割掉外露的長(zhǎng)螺紋段。

4 結(jié)論

(1)分析并總結(jié)出了深部巷道變形破壞特征為:巷道圍巖變形量大，且支護(hù)體破壞嚴(yán)重，巷道圍巖變形具有持續(xù)性和不可控性。

(2)數(shù)值模擬分析了不同支護(hù)系統(tǒng)巷道圍巖的塑性區(qū)分布，結(jié)果表明:深部條件下巷道塑性區(qū)范圍較大，加大支護(hù)強(qiáng)度對(duì)塑性區(qū)改變較小，普通錨桿錨索支護(hù)不再適用。

(3)長(zhǎng)錨桿的圍巖控制機(jī)理為:進(jìn)行柔性支護(hù)，釋放圍巖壓力并防止塑性區(qū)擴(kuò)展;深部穩(wěn)定錨固，避免已破碎圍巖失穩(wěn);轉(zhuǎn)移淺部應(yīng)力，保證深部圍巖的三向受力狀態(tài);長(zhǎng)短錨桿協(xié)調(diào)支護(hù)，適應(yīng)圍巖的大變形，預(yù)防巷道的冒頂及漏頂。

(4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用長(zhǎng)錨桿支護(hù)后，巷道變形量減小，巷道破壞程度明顯減弱，且?guī)筒块L(zhǎng)錨桿在擴(kuò)幫時(shí)能夠重新利用;長(zhǎng)錨桿大都處在較大的工作阻力狀態(tài)，大幅提高了巷道服務(wù)期間圍巖的穩(wěn)定性。

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