不同錨桿支護方式下強頂弱幫巷道穩(wěn)定性分析

閔 軍

(山西焦煤霍州煤電集團店坪煤礦, 山西 霍州 031000)

1 前言

巷道圍巖的穩(wěn)定性形態(tài)可分成兩種類型：一種是圍巖破碎區(qū)形成之前所達(dá)到的穩(wěn)定形態(tài)即彈塑性穩(wěn)定形態(tài)，另一種是圍巖破碎區(qū)形成后才達(dá)到的穩(wěn)定形態(tài)即松動性穩(wěn)定形態(tài)[1]。當(dāng)巷道圍巖力學(xué)環(huán)境有利時，圍巖在整個服務(wù)期內(nèi)都可能維持在彈塑性穩(wěn)定形態(tài)；反之，圍巖將處在松動性穩(wěn)定形態(tài)，伴隨巷道變形量的增大還會表現(xiàn)出階段性特點，即出現(xiàn)彈塑性和松動性穩(wěn)定形態(tài)[2]。在進行巷道圍巖支護時應(yīng)依據(jù)不同的圍巖類型與力學(xué)環(huán)境條件選擇不同的圍巖控制理論，令圍巖處于不同的穩(wěn)定性形態(tài)[3-4]。鑒于此，本文用數(shù)值模擬研究在方山店坪煤礦地質(zhì)條件下不同錨桿支護方式下圍巖的力學(xué)效應(yīng)，辨析不同錨固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能差別，探索不同錨固結(jié)構(gòu)支護下巷道圍巖所歷經(jīng)的變形- 破壞- 失穩(wěn)全過程的變化，為有效控制圍巖，保證其穩(wěn)定性提供可靠依據(jù)。

2 工程概況

方山店坪煤礦5#煤層埋藏深度約為285～400m，傾角為1°～7°，屬于緩傾斜煤層。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含有兩至三層夾矸，夾矸多是砂質(zhì)泥巖，厚度為0.20～0.35m。煤層層理發(fā)育，各分層煤體力學(xué)參數(shù)差異較大，節(jié)理有一定發(fā)育。煤層頂、底板以層狀泥巖、砂巖為主。表1是煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)。巷道布置在5#煤層，斷面5.0m×3.1m，沿底板掘進。煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

3 錨桿支護方式選擇

不同錨固方式適用于不同情形，應(yīng)根據(jù)巷道圍巖類型進行合理選擇[5]。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，店坪煤礦5#煤層巷道的失穩(wěn)過程是頂板首先表現(xiàn)出顯著的彎曲變形，繼而出現(xiàn)大量下沉，頂板上方1.9m內(nèi)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，巖層界面出現(xiàn)離層現(xiàn)象；之后巷幫出現(xiàn)片幫或垮幫，兩幫頂角因頂板巖層的不斷彎曲下沉而被壓碎，導(dǎo)致發(fā)生更嚴(yán)重的片幫或垮幫，兩幫破壞深度達(dá)到1.6m，弱化的兩幫不能對頂板起到有效支撐，使巷道有效寬度增加、頂板繼續(xù)加劇下沉；最終形成“頂板彎曲下沉→兩幫受壓碎裂→片幫或垮幫→兩幫對頂板支撐削弱→頂板彎曲下沉加劇→兩幫破裂加劇”的惡性循環(huán)。而且隨時間延長，頂板中還往往形成拱形破裂區(qū)，使圍巖內(nèi)的荷載體范圍變大。

由上述圍巖變形破壞特征可知，巷道頂板巖層表現(xiàn)出疊合梁及冒落拱的結(jié)構(gòu)特性，而兩幫表現(xiàn)出裂隙體結(jié)構(gòu)屬性，巷道圍巖特征表現(xiàn)為兩幫巖性較軟弱、頂?shù)装鍘r性較硬，且兩幫與頂、底間層理發(fā)育，故圍巖屬于強頂弱幫型。所以，針對這類圍巖條件和頂板具備層狀連續(xù)巖體的特性，其錨桿支護宜選用組合梁理論與懸吊理論相融合的方式；而兩幫因具有裂隙體的巖性特點，其錨桿支護宜選用擠壓加固和整體錨固相融合的方式。

4 不同錨桿支護方式的對比分析

下面通過FLAC3D數(shù)值模擬，分析不同錨桿支護方式下巷道圍巖的穩(wěn)定性，以選擇合適的錨固方式。FLAC3D模擬參數(shù)來自工程中的數(shù)據(jù)。

4.1 支護方案

根據(jù)懸吊理論，頂板冒落拱高度1.9m，加之深入到穩(wěn)定巖層的錨固長度以及外露長度，確定錨桿長度不宜小于2.3m。錨桿最大間距根據(jù)實際經(jīng)驗和影響范圍，取1.0～1.2m。根據(jù)組合梁理論，頂板必須施加預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿預(yù)應(yīng)力確定原則為錨固區(qū)范圍內(nèi)頂板不離層，巖層界面無拉應(yīng)力[6]，根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]的方法，確定頂錨桿預(yù)應(yīng)力6t。對于巷幫，依據(jù)片幫深度1.6m，結(jié)合經(jīng)驗確定幫錨桿長度不宜小于1.7m。依據(jù)擠壓加固理論，錨桿具有的擠壓加固力應(yīng)使所形成的擠壓加固墻能承擔(dān)所對應(yīng)的拱形載荷體的重量[8]，依此確定幫錨桿間距0.8m。根據(jù)整體錨固的思想，宜通過合理確定角錨桿角度實現(xiàn)頂、幫、底的整體聯(lián)結(jié)。

綜上提出三個支護方案，其中方案1為普通錨固方式，方案2和方案3為整體錨固方式。方案1：頂部4根錨桿，間距1.1m，長度2.4m，預(yù)應(yīng)力6t；幫3根錨桿，長度1.7m，間距0.8m。方案2：頂部4根錨桿，間距1.1m，長度2.9m，預(yù)應(yīng)力6t；幫4根錨桿，長度為1.8m，巷幫上下角錨桿分別錨固至頂?shù)装?，與水平方向成30°，間距0.8m。方案3：頂部5根錨桿，間距1m，中間一根3.4m，其余4根為2.4m，頂角處錨桿與垂直方向成30°，預(yù)應(yīng)力6t；幫桿布置方式同方案2。

4.2 模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬結(jié)果，如圖1至圖6所示。

圖1和圖2所示為方案1支護方式下巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。從圖中可見，錨桿支護提升了錨固巖層應(yīng)力，頂板呈現(xiàn)組合梁特征。錨桿錨固至圍巖內(nèi)相對高應(yīng)力區(qū)間，表明錨桿達(dá)到抑制其錨固范圍內(nèi)巖體發(fā)生松動的效果，強化淺部圍巖的抗載性能。巷幫下部水平應(yīng)力較上部偏小，說明幫下部應(yīng)力釋放，有煤幫破壞的危險。

圖1 方案1水平應(yīng)力

圖2 方案1垂直應(yīng)力

圖3 方案2水平應(yīng)力

圖4 方案2垂直應(yīng)力

圖5 方案3水平應(yīng)力

圖6 方案3垂直應(yīng)力

圖3與圖4所示為方案2支護方式下巷道應(yīng)力分布規(guī)律。由圖中可知，巷道圍巖淺部應(yīng)力較方案1的淺部應(yīng)力有了明顯改善，組合梁抗彎性能增強，錨固端區(qū)域圍巖應(yīng)力提高，幫下部水平應(yīng)力增加。圖5和圖6所示為方案3支護方式下巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。從圖中看出，頂板組合梁抗彎性能進一步提高，巷幫承載能力同方案2。

綜上分析得出：(1)頂板錨桿施加預(yù)應(yīng)力，有效長度≥2.3m，最小預(yù)應(yīng)力≥6t；幫錨桿長度≥1.8m。(2)三種支護方案都提高了淺部圍巖的抗載能力，令其可以發(fā)揮組合梁基礎(chǔ)功能。巷道角部均有較高的應(yīng)力集中，易出現(xiàn)失穩(wěn)危險。(3)方案1巷道角部應(yīng)力集中程度高，中間兩支頂板錨桿可能錨固在潛在的頂板冒落拱中，巷道角部弱化易發(fā)生片幫及垮幫現(xiàn)象，從而減弱兩幫支撐頂板的能力。(4)方案2與方案3中錨桿錨固端都深入至圍巖高應(yīng)力區(qū)，將頂板潛在的拱形施載體懸吊在深部穩(wěn)定巖層上，使其能夠充分發(fā)揮組合梁、懸吊等基本性能。兩種支護方式均布置了角錨桿，實現(xiàn)了頂、幫、角三者錨固體的有機聯(lián)合，減小了兩幫位移，強化了對深部巖體的制約作用。(5)巷道支護宜采用方案2或方案3的支護方式。

4.3 結(jié)果探討

以上模擬結(jié)果說明對于強頂弱幫巷道，頂板支護基本能達(dá)到工程要求，故巷幫的穩(wěn)定性應(yīng)為關(guān)注的重點，否則可能出現(xiàn)以下類型的破壞：一是兩幫層間由于滑動力比摩擦阻力大而沿頂、底板發(fā)生錯動；二是兩幫因垂直應(yīng)力達(dá)到極值而出現(xiàn)壓縮破壞；三是頂、底板因兩幫支撐減弱而發(fā)生彎曲乃至破斷。其中，第一種屬小變形一般不會對巷道產(chǎn)生不利影響，但后兩種屬于松動變形破壞，有誘發(fā)圍巖產(chǎn)生連鎖式破壞、失穩(wěn)的危險。

因此，在支護設(shè)計時應(yīng)考慮巷幫有效控制的相關(guān)措施。措施之一是通過角錨桿參數(shù)的調(diào)整將頂、底、幫、角有機聯(lián)接成整體以提升幫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，該項措施的優(yōu)越性已在模擬中體現(xiàn)。另一項措施便是提高幫錨支護力，可采取的方法有增加錨桿直徑、采用高強度錨桿、優(yōu)化錨桿間距、適配托板等附件以及對幫錨施加預(yù)應(yīng)力等。其中，因預(yù)應(yīng)力錨桿可增加加固墻的強度，使錨固力提升，故應(yīng)為優(yōu)選方案。當(dāng)然，有關(guān)預(yù)應(yīng)力的定量確定還有待日后進一步研究。

5 結(jié)語

針對店坪煤礦強頂弱幫巷道頂板彎曲變形，兩幫擠壓片幫的變形、破壞特征，指出巷道頂板和兩幫應(yīng)分別采取彈塑性穩(wěn)定狀態(tài)和松動性穩(wěn)定狀態(tài)的支護原則?；诖?，通過模擬對比，提出巷道支護宜采用整體錨固的支護方式，即通過角錨桿的合理布置，將其形成的應(yīng)力壓縮區(qū)與相鄰頂、幫錨桿形成的應(yīng)力壓縮區(qū)有效重疊，使頂、幫錨固體形成整體錨固結(jié)構(gòu)，以克服一般錨固結(jié)構(gòu)存在角部薄弱環(huán)節(jié)的不足，一定程度上可阻止兩幫沿頂、底發(fā)生錯動而向巷道擠入，從而減小巷道變形，更大限度地改善錨固區(qū)圍巖的受力狀態(tài)，從而提高錨固結(jié)構(gòu)的徑向剛度，增強錨固結(jié)構(gòu)對深部圍巖的徑向約束，使巷道圍巖的穩(wěn)定性得到改善。