高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度錨索支護(hù)在深井高應(yīng)力巷道的應(yīng)用

劉 喜

（寧夏寶豐能源股份有限公司紅四煤業(yè)，寧夏 靈武 751400）

寧夏寶豐集團(tuán)紅四煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)量為240萬t/a，由于礦井煤層最大埋深超過900m，屬于深井開采煤礦。其主采的8#煤層為中厚穩(wěn)定型煤層，結(jié)構(gòu)較為簡單，煤層厚度約0.70～3.48m，頂板主要為細(xì)粒砂巖、粉砂巖及泥巖，無裂隙發(fā)育，屬二類頂板；煤層底板為粉砂巖、泥巖，屬松軟～中硬巖石，巖石強(qiáng)度低，抗水、風(fēng)化以及抗凍性差，易軟化。傳統(tǒng)的棚式支護(hù)、低預(yù)應(yīng)力低強(qiáng)度錨桿支護(hù)以及被動(dòng)支護(hù)方式已經(jīng)不適用深井軟巖巷道的支護(hù)需求，選取高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度高剛度錨桿錨索等主動(dòng)型聯(lián)合支護(hù)方式控制巷道高應(yīng)力，需要科學(xué)選取錨桿、錨索的長度、直徑、用量和排距等參數(shù)，對解決深部復(fù)雜軟巖巷道的支護(hù)十分重要。

1 巷道地質(zhì)情況

為確定紅四煤礦深部巷道的圍巖結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及地應(yīng)力狀況，設(shè)置3個(gè)觀測站：第1測站位于+295m水平西翼回風(fēng)石門臨時(shí)變電所處，第2測站位于+280m水平充電硐室，第3測站位于+280m水平西翼軌道石門。

（1）圍巖結(jié)構(gòu)觀測。對巷道頂板上方20m范圍內(nèi)的圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，測點(diǎn)頂板上部普遍存在離層和裂隙現(xiàn)象，淺部更為明顯，深部也普通存在軟弱夾層和裂隙，說明巖體自身承載能力弱，錨桿支護(hù)體系不能確保錨固范圍內(nèi)的巖體完整性。

（2）地應(yīng)力測量。地應(yīng)力的測量通過水壓致裂法完成，設(shè)備采用SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量儀，實(shí)時(shí)采集壓裂過程中的壓力、時(shí)間、水力壓裂曲線。最大水平主應(yīng)力為23.36MPa，最小水平主應(yīng)力11.51MPa，垂直應(yīng)力最大值為23.25MPa，最大水平主應(yīng)力方向分別為N51.9°E、N35.9°E和N34.7°E。地應(yīng)力的垂直應(yīng)力主要作用于巷道兩幫，而水平主應(yīng)力主要作用于巷道底板，并且最大水平主應(yīng)力與巷道軸線所形成的夾角會(huì)隨角度增加而影響巷道的變形破壞狀態(tài)。

（3）圍巖強(qiáng)度。針對測站附近區(qū)域的頂板和兩幫圍巖進(jìn)行強(qiáng)度測試，整體表現(xiàn)為巖層強(qiáng)度中等偏低，結(jié)合圍巖狀態(tài)分析，巖體中普遍存在裂隙和夾層，同時(shí)匯總厚度圍巖強(qiáng)度測試曲線中頂板淺部巖層強(qiáng)度會(huì)明顯小于鉆孔深部巖層強(qiáng)度，并且兩幫在2m的淺層范圍存在塑性變形。

（4）巖石成分。通過X射線衍射分析法對巖樣進(jìn)行測試得出，巷道頂?shù)装鍘r樣以粘土礦物為主，砂質(zhì)泥巖所占比例最高可達(dá)77.4%。粘土礦物中主要為伊蒙混層，其次為伊利石、綠泥石及高嶺石；而非粘土成分最多的石英，最高占非粘土物質(zhì)的54.6%，其余為少量鉀長石、斜長石方解石、白云石和赤鐵礦。粘土材料中綠泥石和蒙脫石具有遇水強(qiáng)膨脹性，當(dāng)所占比例超出8%時(shí)導(dǎo)致圍巖具有較強(qiáng)的膨脹性。

2 巷道圍巖應(yīng)力分布與變形規(guī)律模擬分析

通過FLAC3D有限差分分析軟件對不同支護(hù)條件下巷道圍巖的應(yīng)力分布和變形進(jìn)行分析和研究，如圖1所示。分析過程中為避免圍巖應(yīng)力過大會(huì)影響模擬條件下錨桿、錨索支護(hù)的應(yīng)力場效果，采用零原巖應(yīng)力場條件對以下各類支護(hù)狀況進(jìn)行數(shù)值分析：

（1）錨桿不同預(yù)緊力（10kN、20kN、30kN、40kN、50kN、60kN、70kN、80kN）應(yīng)力分布與變形情況；

（2）不同錨桿直徑對支護(hù)效果影響（Φ18mm、Φ20mm、Φ22mm）；

（3）不同錨桿長度對支護(hù)效果影響（1800mm、2000mm、2200mm、2400mm）；

（4）錨索根數(shù)對支護(hù)效果的影響（1、2、3根）；

（5）錨索長短對支護(hù)效果影響（4m、6m、9m）；

（6）排距對支護(hù)效果影響（600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm）。

圖1 錨桿預(yù)應(yīng)力大小與圍巖內(nèi)部壓應(yīng)力變化關(guān)系曲線

模擬結(jié)果表明：

（1）當(dāng)預(yù)緊力只有10kN時(shí)，幫部錨桿預(yù)應(yīng)力能夠擴(kuò)散至錨桿全長范圍，而頂板錨桿的主要影響范圍集中在錨固段和錨桿尾部。預(yù)應(yīng)力自20kN增長至50kN過程，壓應(yīng)力能夠擴(kuò)散到整個(gè)全長，擴(kuò)散寬度也呈現(xiàn)線性增長。預(yù)應(yīng)力繼續(xù)增加后，巖體內(nèi)部壓應(yīng)力無顯著增長，頂板兩錨桿間的巖體內(nèi)壓應(yīng)力增長降緩。

（2）錨桿直徑增加對錨桿的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍只有小幅度提升，但直徑的增加提高了錨桿自身力學(xué)性能，承受巷道大載荷變形的能力增強(qiáng)。

（3）錨桿長度會(huì)影響到垂直方向上預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍，同時(shí)水平范圍內(nèi)有小幅增長。模擬結(jié)果表明錨桿長度＞2.2m后，錨桿間的預(yù)應(yīng)力在巷道圍巖內(nèi)能起到良好疊加效果。

（4）穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力下單根錨索會(huì)形成橢圓形的壓應(yīng)力分布區(qū)域；每排存在兩個(gè)錨索后會(huì)在頂板上部2～2.5m出現(xiàn)少部分應(yīng)力疊加區(qū)域；每排錨索數(shù)量為3根時(shí)，彼此間壓應(yīng)力區(qū)相互靠近疊加，最終形成扇形的整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)預(yù)應(yīng)力可擴(kuò)散至大部分錨固范圍內(nèi)。

（5）錨索長度會(huì)影響垂直方向的有效壓應(yīng)力區(qū)及主動(dòng)支護(hù)范圍，但對寬度方向無明顯影響，甚至出現(xiàn)減小趨勢，而且錨索中部及以上區(qū)域的壓應(yīng)力也會(huì)隨長度增長而減弱，相鄰錨索間中部圍巖壓應(yīng)力也會(huì)減小。即相同預(yù)應(yīng)力情況下錨索長度應(yīng)根據(jù)頂板巖層特點(diǎn)，不宜過長。根據(jù)紅四煤礦特點(diǎn)，錨索長度宜為4.3m。

（6）錨索有效壓應(yīng)力區(qū)正常情況下相對孤立，隨錨索排距縮小，相鄰錨索間的壓應(yīng)力區(qū)靠近，疊加，最終與巷道軸線方向一致。但該增加會(huì)隨間距縮小到一定程度而不再出現(xiàn)明顯變化。

3 支護(hù)方案

14505工作面軌道巷在巷道掘進(jìn)完成后，采用高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度高剛度錨桿錨索支護(hù)。

（1）頂板支護(hù)

垂直巷道頂板施工30mm的錨桿鉆孔，間距800mm，排距900mm，錨桿采用22#左旋無縱筋400號螺紋鋼筋，桿長2.4m，尾部螺紋型號M24長度為150mm。托板選取150mm×150mm×10mm的拱型高強(qiáng)度托盤，護(hù)板為450mm×280mm×5mm的W型鋼護(hù)板，并選取網(wǎng)孔規(guī)格100mm×100mm的Φ6mm鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂，錨桿的預(yù)緊扭矩應(yīng)＞400N·m。

沿頂板每兩排錨桿間的中間位置安設(shè)錨索，間距分別為600mm和2400mm，排距為1800mm，錨索為Φ22mm1×19股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長4.3m，錨固長度1771mm，并選取300mm×300mm×14mm高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板，錨索預(yù)緊力應(yīng)≥250kN。

（2）巷幫支護(hù)

巷道兩幫支護(hù)的錨桿、錨索以及相關(guān)配件與頂板支護(hù)相同。錨桿間排距為900mm，間距800mm，每排每幫2根錨桿，錨桿預(yù)緊扭矩也應(yīng)＞400N·m。錨索沿水倉底板布置，排距1800mm，間距2000mm，每排2根錨索，預(yù)緊力≥250kN。

（3）底板支護(hù)

底板采用錨索進(jìn)行全長預(yù)應(yīng)力錨固，施工長度為5m、直徑56mm垂直鉆孔，將錨索前端1200mm使用水泥澆筑固化后施加預(yù)緊力，再澆筑全長，預(yù)緊力為200kN。錨索選取同規(guī)格錨索，長度調(diào)整為5.3m，每排布置2根錨索，間距2000mm，排距1800mm，均勻分布在水倉底板。最后通過300mm×300mm×14mm高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板以及100mm×100mm的Φ6mm鋼筋網(wǎng)覆蓋底板。

4 效果分析

對14505工作面軌道巷進(jìn)行全面的頂?shù)装?、兩幫位移監(jiān)測，對比新舊兩個(gè)支護(hù)方案的巷道變形狀況，從錨網(wǎng)索布置階段就開始進(jìn)行監(jiān)測，并將兩個(gè)方案的頂、底、兩幫的移近量匯總?cè)鐖D2、圖3所示。原支護(hù)方案下巷道支護(hù)段巷道頂板變形下沉嚴(yán)重，兩幫也有嚴(yán)重的移近現(xiàn)象，表面有漿皮開裂，巷道支護(hù)強(qiáng)度也較低，后期底板也受到兩幫移近而失穩(wěn)。新支護(hù)方案下巷道整體變形量減少，兩幫的移近也在10d后開始穩(wěn)定，兩幫最大移近量為160mm。兩支護(hù)方案相比，原支護(hù)方案的兩幫變形時(shí)間超前于頂?shù)装?，證明了兩幫支護(hù)強(qiáng)度較低，最終導(dǎo)致頂?shù)装宓氖Х€(wěn)變形。

5 結(jié)論

（1）在井底車場附近設(shè)置三個(gè)測試站，測得巷道圍巖最大水平主應(yīng)力23.36MPa，最小值為11.51MPa，垂直應(yīng)力最大值為23.36MPa，最小值為22.94MPa。三個(gè)測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向分別為N51.9°E、N35.9°E和N34.7°E，表現(xiàn)為最大水平主應(yīng)力方向呈一致性。

（2）通過數(shù)值模擬分析法對不同支護(hù)條件的巷道支護(hù)效果進(jìn)行分析，確定支護(hù)方案中各最佳參數(shù)，確保支護(hù)對巷道良好支護(hù)預(yù)緊力和擴(kuò)散作用。

（3）對試驗(yàn)巷道進(jìn)行變形移近量監(jiān)測表明，新支護(hù)方案下兩幫移近變形呈穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間提前，明顯改善了巷道頂?shù)装遄冃螤顩r，起到良好的支護(hù)效果。

圖2 原支護(hù)方案巷道移近量圖

圖3 新支護(hù)方案巷道移近量