錨索支護(hù)巷道的變形與受力分析

李 鵬

(陽煤集團(tuán)二礦，山西 陽泉 045000)

0 引言

錨索支護(hù)作為一種新型的支護(hù)工藝，從上世紀(jì)90年代開始在煤礦推廣以來，到目前為止在煤礦巷道支護(hù)中得到了廣泛的普及，尤其是在煤礦煤巷的支護(hù)中，已基本取代了金屬支架和木棚支護(hù)。錨索支護(hù)在實際應(yīng)用中的優(yōu)點主要表現(xiàn)在主動支護(hù)，控制變形有效，在后期的回采使用中端頭維護(hù)和回收簡便；另外，支護(hù)參數(shù)選擇性大，即在不同的圍巖狀況下，可選擇不同的支護(hù)參數(shù)，以適應(yīng)巷道的圍巖壓力。但存在的問題主要表現(xiàn)為一條巷道往往是采用單一的支護(hù)方式，在地質(zhì)條件發(fā)生變化時，大多只是進(jìn)行簡單的加強(qiáng)支護(hù)，在復(fù)雜的地質(zhì)條件下巷道的支護(hù)方式不適合圍巖的受力狀況，致使出現(xiàn)巷道變形過大后期需要多次維護(hù)及頂板出現(xiàn)較大面積跨落等情況。本文根據(jù)錨索支護(hù)在陽煤二礦的實際應(yīng)用為例，選取具有代表性地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造類型對巷道的受力及變形做出分類分析。

1 地質(zhì)條件、巷道支護(hù)及觀測分析

1.1 地質(zhì)條件

陽煤二礦井田位于沁水盆地東北邊緣，目前的主采煤層為15#煤，煤層位于二迭系太原組下部，鉆孔揭露煤厚極大值為9.23 m，極小值為2.41 m，平均6.24 m，在生產(chǎn)采區(qū)附存較為穩(wěn)定。15#煤頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚度變化較大，平均5 m左右。底板多為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部為細(xì)、中粒砂巖，平均厚度3.0 m。相對于陽煤集團(tuán)的其它井區(qū)，二礦的地質(zhì)條件比較復(fù)雜。主要體現(xiàn)為地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育，采區(qū)范圍內(nèi)陷落柱密度較大，煤層松軟，巖層斷層發(fā)育。斷層中落差最大的 70 m以上，單個回采工作面內(nèi)斷層數(shù)最多可達(dá)10多條。

1.2 巷道支護(hù)

根據(jù)錨索的組合梁理論，該井區(qū)巷道大多采用矩形斷面，巖巷采用錨噴支護(hù)或錨桿加錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；煤巷基本全部采用“雙錨”支護(hù)。即巷頂采用錨索緊固W鋼帶，巷幫采用錨桿帶托板的支護(hù)形式。現(xiàn)以二礦擴(kuò)三區(qū)81302進(jìn)風(fēng)順槽為例具體說明。

斷面與施工工藝：二礦擴(kuò)三區(qū)81302進(jìn)風(fēng)順槽沿15#煤底板掘進(jìn)的全煤巷道，巷道斷面為矩形。施工工藝為人工鉆爆法，巷道全長793 m。

地質(zhì)條件：二礦擴(kuò)三區(qū)81302進(jìn)風(fēng)順槽所處區(qū)段煤層厚6.0 m左右；煤層直接頂為黑色泥巖，厚度約4.0 m，致密、堅硬、較破碎；煤層老頂為灰黑色細(xì)砂巖，致密堅硬，厚度為5.0 m；煤層直接底多為鋁土質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖，致密、堅硬。

巷道的支護(hù)形式：巷道頂部支護(hù)采用4.2 m四眼W型鋼鋼帶，每排鋼帶上打注4根φ15.24 mm×5 200 mm錨索，垂直頂板打注。補(bǔ)強(qiáng)錨索采用φ15.24 mm×8 300 mm錨索，錨索下帶1 200 mm29U型鋼。補(bǔ)強(qiáng)錨索每兩排鋼帶一根，位于距巷中0.7 m處，交錯布置。

巷幫每幫打注4根φ20 mm×2 400 mm的鋼錨桿。錨桿間距700 mm，排距950 mm。鋼帶及錨桿支護(hù)的排距為0.95 m。在實際施工時，在頂煤松軟巷道成型的地段，用槽鋼短截代替了鋼帶。

1.3 礦壓觀測

礦壓觀測：根據(jù)集團(tuán)公司及礦有關(guān)文件的規(guī)定，該巷道在施工期間進(jìn)行了礦壓觀測。觀測內(nèi)容為錨索受力狀況和頂板離層量觀測。

觀測方式：在巷道掘進(jìn)過程中每100 m設(shè)一個礦壓觀測站，每個觀測站設(shè)一個離層儀和兩塊用于測量錨索受力狀況的壓力表(普通錨索和補(bǔ)強(qiáng)錨索上各一塊)。

觀測頻度：巷道離煤頭200 m以內(nèi)的儀器每3～4 d觀測一次，200 m以外每10 d觀測一次。該巷道目前掘進(jìn)進(jìn)尺700 m，共設(shè)5個觀測站，各觀測站數(shù)據(jù)見表1，3#測點離層曲線如圖1所示。

表1 礦壓觀測站離層儀壓力統(tǒng)計表

注：表中距離均指觀測站距掘進(jìn)工作面的距離

圖1 3#測點離層曲線

1.4 統(tǒng)計分析

巷道高度變形：①巷道高度變形中，頂板離層量大于巷道底板底鼓量；②淺部離層大于深部離層，淺部(0～4 m)離層為頂板離層的主要因素，頂板離層量最大為100 mm；③巷道頂板的離層大部分產(chǎn)生于距離掘進(jìn)頭10～50 m之間，50 m以后頂板離層量小于總量的30%，巷道趨于穩(wěn)定狀態(tài)；巷道頂?shù)装逡平科骄禐?7 mm，其中頂板下沉量平均值為41 mm，巷道底板拱起量為16 mm，形成巷道高度變化的主要原因是頂板下沉。

巷道兩幫移近量：兩幫移近量平均累計值為24 mm，兩幫移近量偏離平均累計值較大的主要有2#測點。據(jù)觀測，該區(qū)域兩煤幫松軟，頂板較其它區(qū)域破碎嚴(yán)重。與頂板離層相區(qū)別的是，兩幫移近量發(fā)展緩慢，由長期流變產(chǎn)生。

巷道變形機(jī)理：一般情況下巷道變形是由礦壓應(yīng)變和巷道流變2部分構(gòu)成，前者是由于巷道開挖后形成的礦壓對巷道自由面的作用引起，這一部分變形的時間較短，一般在距掘進(jìn)工作面50 m段內(nèi)完成，是巷道的主要變形；巷道流變是巷道在長期存在的過程中形成，發(fā)展較緩慢，是巷道的次要變形。通過上邊的數(shù)據(jù)顯示：①在巷道變形量中，巷道高度的變形是主要的變形，而頂板下沉是巷道高度變形的主要因素；②在同樣的支護(hù)方式條件下，不同區(qū)段的巷道變形差別明顯。所以在變形和受力分析中著重考慮巷道頂板的受力和變形及在不同地質(zhì)條件下的巷道頂板的受力狀態(tài)。

2 巷道變形受力分析

根據(jù)錨索支護(hù)理論可知，預(yù)應(yīng)力錨索對巷道支護(hù)的主要作用是對圍巖的懸吊和加固。懸吊作用主要是針對巷道開挖后在巷道周圍形成的松動巖層提供拉力支持；加固作用的對象是巷道周圍具有承壓能力的巖層進(jìn)一步加強(qiáng)，使其具有更大的承載作用。支護(hù)參數(shù)選擇的依據(jù)就是要使錨索產(chǎn)生的拉力足以滿足上述2項要求。實際上，井下同一條巷道的不同區(qū)段的地質(zhì)條件是不同的。而不同地質(zhì)條件下圍巖本身的力學(xué)性質(zhì)和需要提供的支護(hù)阻力也不相同。所以在同樣的支護(hù)方式下，巷道的變形量也差別很大?，F(xiàn)就81302進(jìn)風(fēng)巷的地質(zhì)條件為例作進(jìn)一步的分類，以確定不同類型地質(zhì)條件下巷道圍巖對應(yīng)的力學(xué)模型。

陽煤集團(tuán)二礦屬于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，由于地質(zhì)條件的特殊性對巷道支護(hù)有特殊的要求，簡單的頂板懸吊和加固只適應(yīng)穩(wěn)定圍巖條件下的頂板支護(hù)，而在構(gòu)造區(qū)這種理論有很大的局限性，尤其是在不同的地質(zhì)構(gòu)造條件下需要對錨索支護(hù)理念進(jìn)行豐富和擴(kuò)展。擴(kuò)三區(qū)81302進(jìn)風(fēng)所處區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造在陽煤的地質(zhì)復(fù)雜區(qū)具有一定的代表性。

2.1 完整頂板

地質(zhì)條件特征：煤層及上覆巖層幾乎沒有受到地質(zhì)運動的破壞，附存狀況良好，巷道上方的頂煤和直接頂具有較強(qiáng)的抗壓抗變形能力。符合此類條件的區(qū)段為3號礦壓站附近。

受力分析：上述地質(zhì)條件下的巷道頂板圍巖比較完整具有較好的力學(xué)性能，受力狀況符合連續(xù)性組合梁的力學(xué)特征。連續(xù)性組合梁的特點是梁體內(nèi)的應(yīng)力主要是由彎矩引起的拉應(yīng)力和梁體層間的剪應(yīng)力。連續(xù)型梁的錨索支護(hù)作用主要是增加組合梁的支點，減小梁體的跨度。

減跨理論主要是基于梁或板為模型的理論提出的錨桿、錨索聯(lián)合作用原理。即當(dāng)巷道頂板為層狀巖層時，其變形特征近似于組合梁的性質(zhì)，此時錨桿或錨索的作用是通過錨桿或錨索的軸向作用力將頂板分層夾緊，以增強(qiáng)各分層之間的摩擦作用，并借助錨桿自身的橫向承載能力提高頂板各分層間的抗剪切強(qiáng)度以及層間粘結(jié)程度，使各分層在彎矩作用下發(fā)生整體彎曲變形，呈現(xiàn)出組合梁的彎曲變形特征，從而提高頂板的抗彎剛度和強(qiáng)度，但由于錨桿的作用并不能從根本上改變頂板的整體變形程度，必須通過錨索支護(hù)增加頂板組合巖層的支點，縮短梁或板的彎矩，減少其中因橫力產(chǎn)生的彎矩及彎曲應(yīng)力、尤其是彎曲拉應(yīng)力，從而有效減小頂板整體變形程度，提高整體的穩(wěn)定性，如圖2所示。

圖2 錨索的減跨作用圖

變形特點：梁或板的變形特點主要是彎曲變形，巷道頂板彎曲屬于彈性變形，在不發(fā)生頂板破壞的情況下，這類巷道的變形量較小(3號礦壓站的離層變形為20 mm)。巷道目前采用的支護(hù)形式對管理此類頂板是有效的。頂部的4根5 m錨索的錨固點處于煤層的直接頂板中，使巷道頂板形成了一個多支點梁。

2.2 松軟煤層頂板

地質(zhì)特征：井下煤層在長期附存過程中經(jīng)歷多次的地質(zhì)運動，這些地質(zhì)運動對局部的煤層及煤層上下部的巖層形成明顯的破壞，具體表現(xiàn)為煤層松軟，節(jié)理發(fā)育，局部區(qū)段煤層幾乎沒有明顯的層理，抗壓抗彎曲的力學(xué)性質(zhì)很差。在實際施工時，巷道頂部的局部或全部的煤層在實行支護(hù)之前會自行冒落，當(dāng)然此時煤層上方的頂板巖層也較破碎。符合此類條件的區(qū)段為2號礦壓站附近。

受力特點：巷道周圍的圍巖有較大厚度的松散層，力學(xué)狀況較差，不足以單獨承擔(dān)巷道頂板壓力，所以必須借助錨索把壓力傳遞到較穩(wěn)定深部巖層。由于巷道頂板煤層和巖層的破碎，內(nèi)部應(yīng)力方向不再是垂直于層離面，而是形成一個多方向的指向巷道截面重心的應(yīng)力場，內(nèi)部受力以壓應(yīng)力為主，對于巷道周邊的巖層可近似看作一個平衡拱。此時錨索支護(hù)的特點是利用錨索的懸吊作用，但是錨索提供的是豎直向上的拉力，平衡拱的水平分力全部由圍巖煤體來承擔(dān)，對松散的圍巖形成了進(jìn)一步的破壞作用。力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 松散煤體的平衡拱模型

變形特點：此類巷道在使用錨索支護(hù)后仍能在短時期形成力學(xué)平衡，但由于圍巖狀況較差，巷道支護(hù)參數(shù)和巷道圍巖上的礦壓不完全匹配，所以巷道周邊被緊固的煤巖在礦壓和錨索預(yù)緊力的作用下局部被破壞并發(fā)生緩慢變形，當(dāng)位移達(dá)到一定量后巷道圍巖受力狀況發(fā)生改變，導(dǎo)致巷道局部處于失穩(wěn)狀態(tài)，所以變形量加大。下部圍巖的破壞變形會引起上部較穩(wěn)定巖層的進(jìn)一步破壞。所以巷道變形量相對較大，而且持續(xù)時間較長。因此此類巷道支護(hù)，錨索不但要滿足巷道松動圈的懸吊作用，而且需要加強(qiáng)對巷道側(cè)壓的支護(hù)和增加錨索密度，減少自由面的跨度，有效束縛出露巖層的變形。在支護(hù)參數(shù)的調(diào)整中，建議加大支護(hù)密度，錨索角度不再是沿重力方向布置，應(yīng)該垂直于巷道周邊的切線。

2.3 節(jié)理發(fā)育煤層

地質(zhì)特點：此類巖層仍屬于受破壞巖層，煤層以及煤層上覆巖層節(jié)理發(fā)育，除去節(jié)理面附近巖層其余部分還具有自承能力。符合此類條件的區(qū)段為1號礦壓站附近。

受力特點：此類巖層的受力特點類似于完整頂板巖層，但是巖層在節(jié)理面處屬于弱面，不承受剪應(yīng)力。巷道地上覆巖層出露后相當(dāng)于一端固定的懸臂梁。懸臂梁的受力還是以彎矩為主，由彎矩引起的內(nèi)部拉應(yīng)力在節(jié)理面處幾乎為零，而在巷幫懸臂梁的固定段拉應(yīng)力達(dá)到最大值，在節(jié)理面處變形量最大。力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 節(jié)理發(fā)育的懸臂梁模型

變形特點：此類條件頂板的變形類似于第一類頂板，但由于巷道中中部存在弱面，巷道中部的錨索拉力比一類頂板巖性條件下明顯較大，錨索拉力不但要滿足承載圍巖重量，而且要有效控制節(jié)理面的變形。以一類頂板條件為基礎(chǔ)設(shè)計的支護(hù)參數(shù)又可能不滿足有裂隙面的頂板要求。在81302進(jìn)風(fēng)巷中出現(xiàn)錨索斷裂情況的大多在這個區(qū)段。

3 巷道支護(hù)的改進(jìn)

由于在實際施工中存在不同類型的頂板條件，所以在工作面設(shè)計中充分考慮不同地質(zhì)條件下的不同受力特點，根據(jù)不同的力學(xué)模型去設(shè)計合理的巷道支護(hù)形式。而目前掘進(jìn)規(guī)程中巷道支護(hù)參數(shù)的設(shè)計都是以一種頂板條件為依據(jù)確定的，在應(yīng)對不同的地質(zhì)條件時只是簡單地加強(qiáng)錨索數(shù)量，沒有針對措施，造成巷道采用的支護(hù)參數(shù)和巷道圍巖條件不適應(yīng)。實際生產(chǎn)實踐是一個動態(tài)的過程，這就要求工程技術(shù)人員在制定掘進(jìn)規(guī)程時不但要制定不同的支護(hù)方案，而且要加強(qiáng)現(xiàn)場的觀測。

3.1 按地質(zhì)條件選擇支護(hù)方式

在實際的施工中，對不同地質(zhì)條件的區(qū)段要有合理的支護(hù)。在支護(hù)理論中，跨度梁、平衡拱、懸臂梁屬于不同的力學(xué)模型。不同的力學(xué)模型巷道的支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)有明顯的區(qū)別，其中對跨度梁的支護(hù)主要是懸吊加固，加固原巖提高原巖的力學(xué)性能，此時錨索提供張力垂直于巖體的揭露面。松散煤體的平衡拱結(jié)構(gòu)下錨索的主要作用是懸吊外圍巖體，給深部巖體一個壓應(yīng)力以增強(qiáng)深部圍巖的承壓能力，此時的支護(hù)要點：錨索要垂直平衡拱法線，而且由于外圍松散層的存在錨索長度要相應(yīng)加長。對于因節(jié)理存在而形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)，外圍巖石的受力類似跨度梁，區(qū)別之處在于對節(jié)理面的控制，因為巷道斷面的最大變形處于街里面處而非巷道頂板的中部。這3種力學(xué)模型均為典型的巖體力學(xué)模型，在工作面設(shè)計中應(yīng)明確對應(yīng)的支護(hù)形式而不是僅僅的后期加強(qiáng)措施。

3.2 建立常態(tài)觀測制度

巷道周圍的巖層在經(jīng)過支護(hù)以后，基本處于一個平衡狀態(tài)，但是小量變形即流變?nèi)匀淮嬖?，而且這種變形是一種塑性變形，由于發(fā)展緩慢容易被忽略。流變對巷道的危害在于，當(dāng)總變形量達(dá)到一定量后，初期的平衡條件被改變，在采動影響或地質(zhì)運動的激發(fā)下，出現(xiàn)頂板跨落或錨索斷裂等情況。這也是主動支護(hù)的缺點，而且這種流變有可能被忽視。要求對錨索支護(hù)巷道建立常態(tài)礦壓觀測制度，當(dāng)變形臨近或大于警戒值要引起注意，并有相應(yīng)的應(yīng)對措施。

3.3 分類觀測

在巷道掘進(jìn)中不但要進(jìn)行現(xiàn)有的巷道礦壓觀測和巖性探測，對相同頂?shù)装鍫顩r的巷道，還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的分類。對目前施工隊區(qū)段具體屬于哪一類型頂板做出正確的認(rèn)定，然后能及時向有關(guān)部門反映，商定科學(xué)合理的支護(hù)方式。

4 結(jié)論

(1)煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不同區(qū)段的巖體巖性區(qū)別明顯、存在各種不同的地質(zhì)構(gòu)造。在煤礦巷道實際施工中，力學(xué)模型和支護(hù)參數(shù)選擇不合理，是造成巷道變形過大、巷道頂板垮落的直接原因。

(2)巷道變形是由礦壓應(yīng)變和巷道流變2部分構(gòu)成，巷道高度的變形是主要的變形，而頂板下沉是巷道高度變形的主要因素。在同樣的支護(hù)方式條件下，不同區(qū)段的巷道變形差別明顯，所以著重考慮巷道頂板的受力和變形及在不同地質(zhì)條件下的巷道頂板的受力狀態(tài)。

(3)跨度梁、平衡拱、懸臂梁統(tǒng)屬于不同的力學(xué)模型。不同的力學(xué)模型巷道的支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)有明顯的區(qū)別，應(yīng)按不同的地質(zhì)條件確定與之相應(yīng)的支護(hù)形式。