沖擊巷道錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

王美美，王金安

(北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

華亭煤田在開挖過程中時有微震現(xiàn)象發(fā)生，說明其深部采掘受到動壓影響。隨著開采深度的增加，動力現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率有所升高，對巷道的影響也在加深，因此對巷道支護(hù)的研究僅限于靜力學(xué)條件下是不夠的，研究動力條件下巷道支護(hù)設(shè)計的具體參數(shù)和影響因素，對不同圍巖和開采條件下的巷道支護(hù)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，確保煤礦開采過程中巷道的穩(wěn)定和安全，為礦山安全提供一定的保障。

1 工程概況

華亭煤田位于陜甘寧盆地的西南邊緣，內(nèi)部呈獨特的黃土丘陵地貌。礦區(qū)地處我國西部的南北地震帶范圍中，緊挨六盤山區(qū)。 華亭煤礦250104運輸順槽呈微弧拱形斷面，掘高為3.7 m，直墻高為3.2 m，掘?qū)挒?.6 m，掘斷面積為19.78 m2；埋深為352 m。通過巖石力學(xué)試驗測得，上覆巖層平均容重為25.6 kN/m3，頂?shù)装迮c煤層間內(nèi)聚力為0.87 MPa，內(nèi)摩擦角為32.17°。沖擊傾向性試驗表明，250104工作面煤層沖擊傾向性為強(qiáng)沖擊性，浸水軟化之后煤樣轉(zhuǎn)為弱沖擊性，說明煤巖在循環(huán)載荷下能量積累較多?，F(xiàn)場中煤巖破壞較為嚴(yán)重，煤爆聲比較頻繁，說明一方面煤巖在采動影響下能量不斷積累，另一方面積累的能量超過煤的抗壓強(qiáng)度而造成煤巖不斷破壞而釋放能量。由于受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的扭動作用，使得復(fù)式向斜的東、西兩小向斜分別向南、向北移動。受此褶皺構(gòu)造的影響，華亭煤田構(gòu)造應(yīng)力異常，根據(jù)各礦實測，水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力，對強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)起到主要的影響作用。

2 巷道支護(hù)理論計算

基于松動圈研究的支護(hù)理論[1]，不穩(wěn)定圍巖(即松動圈大于1.5 m)宜采用組合拱理論進(jìn)行支護(hù)設(shè)計。支護(hù)設(shè)計的主要思路是通過對松動圈的加固，提高松動圈的圍巖強(qiáng)度，進(jìn)而改變巷道圍巖的受力形式和狀態(tài)，抑制巷道變形，降低巷道破壞幾率和程度。 經(jīng)計算，250104運輸順槽平衡拱跨度為9.72 m，平衡拱高度為3.89 m，巷幫的破碎煤體深度為2.06 m。

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

1) 頂部錨桿長度[2-3]。錨桿材質(zhì)采用20 MnSiV或20 MnSi熱軋鋼筋。對頂部錨桿的參數(shù)進(jìn)行確定時，應(yīng)遵循錨桿長度超過圍巖松動圈厚度的原則，故錨桿長度計算見式(1)。

L頂=Lp+Δl

(1)

式中：L頂為頂部錨桿的長度，m；Lp為圍巖松動圈的厚度，m；Δl為頂部錨桿的外露和失效長度，m，一般取Δl=0.4～0.6 m。

根據(jù)極限平衡理論[4]，在各向等壓的條件下，對于圓形巷道，其圍巖松動圈厚度計算見式(2)。

(2)

式中：Rp為塑性區(qū)半徑，m；R0為巷道半徑，取250104運輸順槽巷道斜邊的一半，m；γ為上覆巖層的平均容重，kN/m3；pi為支護(hù)阻力，MPa；c為頂?shù)装迮c煤層之間的黏聚力，MPa；φ為頂?shù)装迮c煤層之間的摩擦角，(°)；p為原巖應(yīng)力，MPa；B1為巷道掘?qū)?，m。

將R0=3.33 m，γ=25.6 kN/m3，p=γh=25.6×352=9.03 MPa，pi=0.5 MPa，c=0.87 MPa，φ=32.17°，B1=5.6 m，代入式(2)得：圍巖松動圈厚度Lp=2.25 m。為安全起見，取Lp=2.4 m，取Δl=0.4 m，則頂部錨桿長度L頂=2.8 m，滿足要求。

2) 兩幫錨桿長度。巷道兩幫的錨桿長度計算見式(3)。

L幫=hp+Δl

(3)

式中：L幫為幫部錨桿的長度；hp為巷幫煤體的破碎深度；Δl為幫部錨桿的外露長度，取0.3 m。所以，兩幫錨桿長度L幫=2.06+0.3=2.09 m，取L幫=2.4 m，滿足要求。

錨桿直徑取d=20 mm，間排距均取a=0.8 m，頂部布置10根，兩幫布置8根。

2.2 錨索支護(hù)參數(shù)的確定

1) 錨固長度[5]。采用國產(chǎn)通用鋼鉸線低松馳1860級，長度為7.3 m，直徑為20 mm，公稱面積為140 mm2，重量為1.10 kg/m，屈服荷載為248 kN，破斷荷載為260.7 kN。驗算錨固長度見式(4)。

La≥K/4×d1×(fct/fcs)

(4)

式中：La為錨索的錨固長度，mm；d1為錨索的直徑，取20 mm；fct為錨索的設(shè)計抗拉強(qiáng)度，取1 860 kN/mm2；fcs為錨索與錨固劑的設(shè)計黏結(jié)強(qiáng)度，取10 kN/mm2；K為安全系數(shù)，取K=2。

代入求得：La≥1 860 mm，選用1支K2335和2支Z2360低稠度樹脂藥卷作為錨固劑，Φ28 mm鉆頭打眼，滿足要求。

2) 錨索長度。按懸吊作用考慮錨索長度，則最小長度按非安全冒落計算見式(5)。

L>La+h+L外

(5)

式中：L外=0.3 m(按張拉千斤頂長度要求)；h=4.2 m(按懸頂煤層厚度確定)。

故：L>1.86+4.2+0.3=6.36 m。本設(shè)計建議采用長度為6.5 m的錨索，能夠滿足設(shè)計要求。

本設(shè)計建議采用Φ20 mm或Φ22 mm、1×19股加長錨固讓壓強(qiáng)力錨索。由于頂板破壞深度較大，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，為了保證動壓巷道頂板的穩(wěn)定性，錨索間距取1.0 m，排距取0.8 m。

3 動力學(xué)模擬初步分析

從鉆孔柱狀圖中截取部分地層(100 m×100 m)，并對用于模擬的地層基本信息進(jìn)行適當(dāng)簡化，各地層巖石力學(xué)參數(shù)見表1。其中第4地層為煤層，厚度約為36.6 m，傾角較小，忽略不計。

首先通過“config dyn”定義動態(tài)條件環(huán)境，建立208×251的模型網(wǎng)格，并對其進(jìn)行區(qū)塊劃分，對地層單元參數(shù)按彈性模型賦值[6]。在建好的模型中模擬開挖，巷道底板位置為668 m處，寬5.6 m，兩幫高3.2 m。模擬動荷載在單位剖面上作用時間為0.13 s，動荷載頻率為30 Hz，動荷載系數(shù)為1.5，動載波形服從正弦曲線變化。

按照松動圈理論，開挖以后，巷道周邊的巖石發(fā)生塑性變形，并向巖石內(nèi)部傳遞。動荷載條件下巷道周邊的破壞和變形分為：應(yīng)力集中導(dǎo)致巷道周邊局部破壞，垂直向下的動荷載引起巷道周邊模型單元不同程度上向下的位移變形。巷道底部發(fā)生拉裂破壞，而頂部則發(fā)生剪切破壞。加上整體位移，頂板破碎較嚴(yán)重，如圖1所示。 經(jīng)過理論計算對支護(hù)方案調(diào)整，模擬支護(hù)采用頂部8根長2.8 m、間距0.75 m的錨桿，3根長6.5 m、間距1.5 m、錨固長度為3 m的錨索，幫部各4根長2.4 m、間距0.715 m的錨桿，巷道尺寸及支護(hù)間距示意圖見圖2。圖3為巷道的支護(hù)后破壞區(qū)示意圖。

表1 地層巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters of stratum

圖1 支護(hù)前巷道塑性區(qū)Fig.1 Plastic area before supporting

圖2 巷道尺寸及支護(hù)間距示意圖Fig.2 Roadway and supporting measurement

圖3 支護(hù)后巷道塑性區(qū)Fig.3 Plastic area after supporting

取巷道底板、頂板、左幫、右?guī)椭悬c處作為測點1～4，測得各點支護(hù)前后的水平和垂直位移量見表2。其中，x方向相對位移量即指兩幫相對移近量(測點3和測點4的x方向位移之差)，y方向相對位移量即指頂?shù)装逑鄬σ平?測點1和測點2的y方向位移之差)。 可以看出，支護(hù)后水平方向、垂直方向位移量均有明顯減小，說明支護(hù)方案可靠有效。

4 全長灌漿錨固支護(hù)方案的匹配設(shè)計

在支護(hù)方案的確定過程中，錨桿的長度、直徑、間排距、數(shù)量和錨索長度、錨固長度、直徑、布置密度等都是影響支護(hù)效果的因素。本研究選取錨桿長度和錨索長度兩個因素作為研究變量。錨桿長度從3 m逐漸減小到1.8 m，每一級減小0.2 m；錨索長度則從6 m逐漸增大至8.4 m，每一級增加0.4 m。

對支護(hù)進(jìn)行匹配的過程中，研究模型的破壞場(即塑性區(qū))以及位移矢量場，并記錄測點所在單元水平方向和垂直方向上的位移量。此外，還可以從錨桿(索)的受力角度得到對應(yīng)的軸力、軸應(yīng)變分布圖，見圖4和圖5。

表2 動載下各測點位移量Table 2 Displacement of each point before and after supporting in dynamic condition

圖4 動載條件下錨桿(索)軸力圖Fig.4 Axial stress of cable or anchor i ynamic condition

圖5 動載條件下錨桿(索)軸應(yīng)變圖Fig.5 Axial strain of cable or anchor i ynamic condition

1) 巷道周邊變形角度。當(dāng)錨索長度固定時，錨桿長度的變化對巷道位移量，尤其是頂?shù)装逑鄬σ平坑休^大影響，如圖6所示。隨著錨桿長度的減小，頂?shù)装逑鄬σ平恐饾u增大。相比而言，如圖7所示，固定錨桿長度，不同錨索長度對支護(hù)效果的影響較小，頂?shù)装逑鄬σ七M(jìn)量差值都在2 mm以內(nèi)。

圖6 不同錨桿長度下巷道頂?shù)装逑鄬σ平恐狈綀DFig.6 Displacement with different anchor length

圖7 不同錨索長度下巷道頂?shù)装逑鄬σ平恐狈綀DFig.7 Displacement with different cable length

2) 桿件受力和應(yīng)變角度。為了進(jìn)一步探明支護(hù)的作用，固定錨索長度，而錨桿長度變化，分別記錄各組合下錨桿(索)的軸力、軸向應(yīng)變、桿端剪力以及桿端剪應(yīng)變，從中選取軸力進(jìn)行分析。類似地，固定錨桿長度，不同錨索長度條件下，可得到錨桿(索)的軸力，如圖8所示。隨著錨桿長度的減小，其自身軸力普遍呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這時，主要考慮錨索的軸力大小，錨索軸力在錨桿長度為2.6 m時均較小，認(rèn)為此長度為最適宜長度。隨著錨索長度的增加，錨索軸力卻呈現(xiàn)出減小的趨勢，錨桿沒有較統(tǒng)一的明顯變化。但考慮幾個軸力值較大的錨桿，錨索長度為7.2 m是較適宜的選擇。

5 預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)

上述模擬是基于錨桿(索)均為全長灌漿錨固的結(jié)果。而近年來工程實際中預(yù)應(yīng)力錨索得到越來越廣泛的應(yīng)用。為了對預(yù)應(yīng)力錨固效果進(jìn)行研究，采用端部錨桿與預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合的方式對巷道進(jìn)行錨固模擬。調(diào)整錨固方式后，對于錨索長度固定為6.4 m的一系列組合，記錄各錨桿(索)軸力，并分析相同編號的錨桿(索)軸力直方圖，如圖9所示。對于錨桿長度固定為2.8 m的一系列組合，記錄各錨桿(索)軸力，并分析相同編號的錨桿(索)軸力直方圖，如圖9所示。

圖8 全長錨固錨桿、錨索軸力圖Fig.8 Axial force of full length anchor and cable

圖9 預(yù)應(yīng)力錨固錨桿、錨索軸力圖Fig.9 Axial force of prestressed anchor and cable

不難發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)應(yīng)力錨索加端部錨桿相結(jié)合的錨固方式后，錨桿與錨索的軸力均有不同程度降低。另外，巷道周邊最大位移量也減小至130 mm左右。且調(diào)整錨固方式后，錨桿(索)的軸力變化均呈現(xiàn)出規(guī)律化，隨錨桿長度減小而趨向于單調(diào)變化。綜合各錨桿與錨索的軸力特點，理論上認(rèn)為，錨桿長度為3 m時為最優(yōu)。但在工程實際中，既要考慮安全，又要兼顧經(jīng)濟(jì)，“錨桿越長越好”這一理論結(jié)果在方案設(shè)計中并不起決定作用，還需結(jié)合工程具體決定。在錨索長度變化時，其自身軸力隨長度增加而減小，而錨桿軸力則變化不一。考慮常用錨索長度以及經(jīng)濟(jì)合理因素，認(rèn)為6.4 m為錨索最優(yōu)長度。

針對華亭礦區(qū)陳家溝煤礦“錨桿退、索斷裂”的情況，本文提出一種強(qiáng)壓巷道支護(hù)設(shè)計方法。該設(shè)計方法采用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)，并將錨桿長度提高為2.8 m，以使其深入圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)；錨索長度減小為6.4 m，有效提高支護(hù)效果，減弱錨索所承受的應(yīng)變能和系統(tǒng)動能，和錨桿形成較好匹配，減少斷裂的趨勢。長短結(jié)合，有效地提高圍巖穩(wěn)定程度。

優(yōu)化方案實施前，礦壓顯現(xiàn)造成多種嚴(yán)重破壞，包括頂?shù)装迤茐?、煤巖體破壞、巖層離層滑移型破壞等。優(yōu)化方案實施后，礦壓顯現(xiàn)造成大范圍頂板下沉的情況較少，巷道破壞主要表現(xiàn)為500 mm以下的底鼓，支護(hù)效果顯著提高。陳家溝煤礦2501采區(qū)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)造成的破壞總次數(shù)從實施之初的一年54次降低到一年14次，下降40次，下降率達(dá)74%。此外，陳家溝煤礦杜絕了重傷及以上人身傷亡事故，實現(xiàn)了全年不發(fā)生強(qiáng)礦壓重傷及其以上人身事故、強(qiáng)礦壓輕傷事故大幅減少、強(qiáng)礦壓對生產(chǎn)的影響時間顯著降低的安全生產(chǎn)。

上述分析也表明，錨桿長度與錨索長度并不能完全決定支護(hù)效果。事實上，應(yīng)該對此課題進(jìn)行多因素分析或主成分分析，找出對巷道支護(hù)最敏感的影響因素。通過這樣的后續(xù)研究，才可以真正做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理地指導(dǎo)巷道開挖支護(hù)。

6 結(jié) 論

1) 結(jié)合理論分析，在對錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過采用FLAC2D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，對巷道進(jìn)行動荷載作用下的開挖支護(hù)模擬，分析了支護(hù)前后圍巖位移變化情況，并對破壞機(jī)理進(jìn)行分析，以頂?shù)装逑鄬σ平亢蛢蓭拖鄬σ平孔鳛榈谝唤M指標(biāo)，以錨桿(索)受力和變形作為第二組指標(biāo)，對支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)模擬結(jié)果分析，錨桿適宜長度為2.8 m，錨索適宜長度為6.4 m。

2) 采用預(yù)應(yīng)力錨索對控制巷道圍巖變形破壞和錨桿(索)受力方面有明顯的優(yōu)越性。錨桿、錨索長短匹配的支護(hù)方案有效抵抗了礦壓顯現(xiàn)造成的嚴(yán)重破壞，支護(hù)效果顯著提高。

3) 建立在試驗數(shù)據(jù)模擬基礎(chǔ)之上的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，綜合地質(zhì)調(diào)查、設(shè)計、施工、監(jiān)測等多種手段創(chuàng)新設(shè)計理念，突破以工程類比法為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計方法，對監(jiān)測到的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)模擬分析采取對策，增加了不同巖性條件支護(hù)的針對性。