煤礦巷道高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系的應(yīng)用與研究

王 博 王曉燕 楊 云

(1.寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué)，寧夏 銀川 750021)

隨著多年以來(lái)煤礦資源的大量枯竭，淺埋煤炭資源已接近枯竭，煤炭開(kāi)采的深度逐漸增加，地應(yīng)力增大，圍巖環(huán)境趨于復(fù)雜，支護(hù)難度加大[1]。錨桿支護(hù)作為一種主動(dòng)支護(hù)方式，在控制圍巖變形、降低施工成本、改善作業(yè)環(huán)境方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但隨著深埋大變形巷道的日趨增多，錨桿支護(hù)在工程應(yīng)用中也存在著一定問(wèn)題[2]。

雖然在錨桿支護(hù)系統(tǒng)中，錨桿是最重要的支護(hù)構(gòu)件，但在深埋巷道中，隨著地應(yīng)力的增大，純錨桿支護(hù)很難有效控制圍巖變形，必須要與托盤(pán)、鋼梁等護(hù)表構(gòu)件配合使用，共同提供支護(hù)作用力，充分發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)的作用效果[2]。

傳統(tǒng)的錨桿護(hù)表構(gòu)件支護(hù)角度一旦確定，錨桿對(duì)圍巖變形方向的控制幾乎無(wú)法改變，而圍巖變形的時(shí)間一般比較長(zhǎng)，特別是在工程項(xiàng)目完成后還有可能發(fā)生位移，如滑移、斷裂等現(xiàn)象，常規(guī)錨固體系無(wú)法隨著圍巖的持續(xù)變形方向而進(jìn)行協(xié)調(diào)支護(hù)變形，易造成錨桿斷裂，致使支護(hù)失效。這幾年現(xiàn)場(chǎng)使用的蝶形托盤(pán)雖然在設(shè)計(jì)中提出了依靠托盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)錨桿變形協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)，但在實(shí)際工程應(yīng)用中仍然有一定的缺陷。第一、由于常規(guī)的蝶形錨桿托盤(pán)開(kāi)孔設(shè)計(jì)為球面形，錨桿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)主要依靠螺母嵌入球面開(kāi)孔實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。但這樣的設(shè)計(jì)在圍巖發(fā)生持續(xù)較大變形時(shí)極易使螺母壓裂球形開(kāi)孔，致使轉(zhuǎn)動(dòng)失效。第二、由于托盤(pán)開(kāi)孔尺寸較小，即使能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，也是較小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，如果巖層出現(xiàn)較大錯(cuò)動(dòng)變形，無(wú)法有效協(xié)調(diào)圍巖變形。第三、錨桿在深入圍巖后，隨圍巖一起受力變形，除了會(huì)出現(xiàn)一定角度的偏轉(zhuǎn)之外，往往還會(huì)因?yàn)樯喜繋r層的斷裂，出現(xiàn)錨桿整體的滑移錯(cuò)動(dòng)，常規(guī)的蝶形托盤(pán)設(shè)計(jì)，只能完成一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)錨桿錨固力的有效提高。因此，需研發(fā)一種錨固方向可隨圍巖變形而持續(xù)協(xié)調(diào)變形的高錨固力錨桿。

1 高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系的設(shè)計(jì)思路

針對(duì)常規(guī)錨固支護(hù)體系的缺陷，設(shè)計(jì)研發(fā)出高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系(如圖1)，它包括平直自旋錨桿、大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)和單面球形螺母。平直自旋段是實(shí)心桿身的圓周面上設(shè)置有螺旋狀旋絲錨葉的螺紋鋼桿，平直自旋錨桿桿體尾端與大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)、單面球形螺母連接。大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)一面為平面結(jié)構(gòu)，另一面為弧面結(jié)構(gòu)，托盤(pán)中心設(shè)置有可用于平直自旋錨桿桿體角度轉(zhuǎn)動(dòng)的通孔，通孔直徑為平直自旋錨桿桿體直徑的1.5倍。單面球形螺母一端為球面蘑菇頭狀，另一端為正六邊形柱體結(jié)構(gòu)，單面球形螺母的球面蘑菇頭狀一端與大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)的弧面相接觸。

圖1 高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系示意圖Fig.1 High stress and deformable anchorage system

2 高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系的力學(xué)分析

高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系將旋絲錨葉形式應(yīng)用于錨桿設(shè)計(jì)中，旋絲與錨固劑共同發(fā)揮錨固作用。普通錨桿只有圍巖變形后才具有錨固作用，而高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系在安裝后可立即施加較高的預(yù)應(yīng)力，及時(shí)給予圍巖一定的壓應(yīng)力，使圍巖由雙向應(yīng)力轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的旋絲摩擦力能夠提高軟弱巖體的抗剪性能，避免出現(xiàn)張開(kāi)裂隙，減緩了圍巖的弱化過(guò)程[3-4]。

同時(shí)該錨固體系在錨桿底部設(shè)有的大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)可以完成大角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了錨桿與圍巖長(zhǎng)時(shí)間變形的協(xié)調(diào)適應(yīng)性，使錨桿支護(hù)系統(tǒng)由過(guò)去無(wú)法改變支護(hù)方向的剛性結(jié)構(gòu)變成了可以轉(zhuǎn)動(dòng)的類桁架結(jié)構(gòu)。

2.1 平直自旋錨桿錨固力的計(jì)算公式

高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系的錨固力由兩部分組成，包括旋絲錨固力和錨固劑錨固力。旋絲錨固力可參照土體螺旋錨桿的抗拔力為：

P1=(πdl)·c

(1)

式中：l—錨桿桿身頂部與底部的旋絲間距，m；d—錨桿旋絲直徑，mm；c—巖體的抗剪強(qiáng)度，MPa。

假設(shè)錨桿錨固劑與平直自旋桿體黏結(jié)力沿各旋絲段長(zhǎng)度內(nèi)均勻分布，則錨固劑錨固力可用式(2)計(jì)算：

P2=(πDL)τ

(2)

式中：L—錨桿孔長(zhǎng)度，m；D—錨桿桿體直徑，mm；τ—錨固劑與桿體之間的黏結(jié)強(qiáng)度，MPa。

則高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固裝置的錨固力就等于兩部分錨固力之和。

P=P1+P2

(3)

2.2 大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)的破壞荷載計(jì)算

大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)的破壞荷載可以參照鋼帶破壞荷載計(jì)算：

P3=(b1-d1)tσ

(4)

式中：P3—托盤(pán)拉斷力，N；b1—托盤(pán)寬度，mm；d1—托盤(pán)通孔直徑，mm；t—托盤(pán)厚度，mm；σ—托盤(pán)抗拉強(qiáng)度，MPa。

通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系相比于普通錨桿，在不增加錨桿支護(hù)密度和錨桿直徑的前提下，錨固力可以提高15%～20%，同時(shí)具備更好的變形協(xié)調(diào)性，在深部大變形煤礦巷道中使用具有良好的力學(xué)優(yōu)勢(shì)[5]。

3 高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系的工程特點(diǎn)

高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系工程特點(diǎn)主要有：

1)類桁架可轉(zhuǎn)動(dòng)式錨桿托盤(pán)

高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系中由于采用了大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)的設(shè)計(jì)，因此當(dāng)圍巖變形時(shí)，錨桿可在托盤(pán)通孔中大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)單面球形螺母球面設(shè)計(jì)使得錨桿與托盤(pán)之間進(jìn)一步減小了轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力，使錨桿支護(hù)系統(tǒng)由過(guò)去無(wú)法改變支護(hù)方向的剛性結(jié)構(gòu)變成了可以轉(zhuǎn)動(dòng)的類桁架結(jié)構(gòu)。

2)多點(diǎn)摩擦原理下的高錨固力

高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系的錨固力由旋絲錨固力和錨固劑錨固力兩部分組成。在實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)平直自旋段旋絲刻入巖層之中，可即時(shí)承載。巖層擠壓旋絲形成多點(diǎn)摩擦，增強(qiáng)了預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，同時(shí)錨固力可隨著圍巖變形而增加，實(shí)現(xiàn)了高錨固力的技術(shù)特點(diǎn)。

3)錨桿受力持續(xù)協(xié)調(diào)變形性

高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系的錨桿支護(hù)系統(tǒng)利用大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)設(shè)計(jì)，可使平直自旋錨桿桿體在大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)的通孔中完成大角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)錨桿與圍巖長(zhǎng)時(shí)間的變形協(xié)調(diào)，在提高錨桿錨固力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了錨桿支護(hù)的安全性與可靠性。

4 數(shù)值模擬分析

為了進(jìn)一步分析高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系的支護(hù)效果，采用FLAC3D建立有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計(jì)算模型采用某高地應(yīng)力松軟破碎巷道，如圖2所示。模擬參數(shù)中巷道條件為砂巖、煤層，邊界條件為水平方向無(wú)位移，垂直方向無(wú)約束，在上部邊界施加垂直壓力以模擬巖層壓力，用錨桿單元模擬錨桿，用梁?jiǎn)卧M托盤(pán)，梁與巖層之間設(shè)有接觸面，具體煤巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)表

圖2 計(jì)算模型圖Fig.2 Numerical model

圖3 巷道未支護(hù)狀態(tài)下位移云圖Fig.3 Displacement of roadway without support

由圖3、圖4對(duì)比可知，采用新型錨固體系兩種狀態(tài)對(duì)比可以看出頂板變形得到有效控制，頂板變形已基本受斂，特別是頂板圍巖表面的危險(xiǎn)破碎巖塊得到了有限約束，避免了破碎巖塊的掉落，頂板最大下沉量減為198 mm。

由圖3、圖5可知，巷道開(kāi)挖之后，原巖應(yīng)力狀態(tài)被破壞，圍巖應(yīng)力開(kāi)始二次重分布，應(yīng)力在洞壁附件高度集中，塑性區(qū)出現(xiàn)后應(yīng)力集中區(qū)繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)，塑性區(qū)會(huì)持續(xù)增大，直至圍巖破壞。

由圖5、圖6垂直應(yīng)力云圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)由于深埋巷道巖石的不均勻壓縮區(qū)較大，單純依靠傳統(tǒng)錨桿所控制的錨固范圍有限，而施加新型錨固體系后頂板及兩幫剪切破壞區(qū)和拉破壞區(qū)已經(jīng)得到有效控制，不穩(wěn)定區(qū)域明顯減小，說(shuō)明采用該體系進(jìn)行巷道支護(hù)是可行的。

圖4 新型錨固體系支護(hù)狀態(tài)下位移云圖Fig.4 Displacement of new type anchorage system in supporting state

圖5 巷道未支護(hù)狀態(tài)下垂直應(yīng)力云圖Fig.5 Vertical stress in unsupported roadway

圖6 新型錨固體系支護(hù)狀態(tài)下垂直應(yīng)力云圖Fig.6 Vertical stress under supporting state of new type anchorage system

5 工程試驗(yàn)

圖7 煤層綜合柱狀圖Fig.7 Comprehensive column of coal seam

為了進(jìn)一步驗(yàn)證支護(hù)體系的可靠性，對(duì)該試驗(yàn)巷道進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)，共設(shè)置了三個(gè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)內(nèi)容有巷道收斂(兩幫相對(duì)移近、頂板下沉)和頂板離層數(shù)據(jù)。巷道斷面收斂監(jiān)測(cè)采用收斂計(jì)，頂板離層監(jiān)測(cè)采用多點(diǎn)位移計(jì)。通過(guò)圖8、圖9位移曲線圖可知巷道頂板下沉量的最大值為97 mm，兩幫移近量最大值為161 mm。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)可知，在巷道施工過(guò)程中，13～15 d左右巷道基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明了新型錨固體系對(duì)試驗(yàn)巷道起到了較好支護(hù)效果。

圖8 頂板位移曲線圖Fig.8 Displacement curve of roof

圖9 兩幫位移曲線圖Fig.9 Displacement curve of two sides

6 結(jié)論

1)高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系中采用了大開(kāi)孔蝶形托盤(pán)和單面球形螺母球面的特殊設(shè)計(jì)，當(dāng)圍巖變形時(shí)，錨桿可在托盤(pán)通孔中完成大角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，可使錨桿支護(hù)系統(tǒng)由過(guò)去無(wú)法改變支護(hù)方向的剛性結(jié)構(gòu)變成可以轉(zhuǎn)動(dòng)的類桁架結(jié)構(gòu)。

2)高預(yù)應(yīng)力可協(xié)調(diào)變形錨固體系將旋絲錨葉形式應(yīng)用于錨桿桿體，旋絲與錨固劑共同發(fā)揮錨固作用。錨桿安裝后可立即施加較高的預(yù)應(yīng)力，使圍巖由雙向應(yīng)力轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)，提高軟弱巖體的抗剪性能，相比于普通錨桿，在不增加錨桿支護(hù)密度和錨桿直徑的前提下，錨固力可以提高15%～20%。

3)根據(jù)在試驗(yàn)巷道進(jìn)行支護(hù)監(jiān)測(cè)，巷道頂板下沉量的最大值為97 mm，兩幫移近量最大值為161 mm。15 d左右巷道基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，證明了該支護(hù)體系的可靠性。