基于統(tǒng)計學(xué)原理的錨桿破壞特征分析與巷道修復(fù)技術(shù)

張 信 劉春峰 許亞棟 王成功 李楊楊

(1. 山東東山王樓煤礦有限公司，山東省濟(jì)寧市，272063；2. 臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東省臨沂市，276000；3. 山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

近年來，隨著礦井開采深度增加，巷道圍巖性質(zhì)趨于松軟，且頻繁受工作面采動影響，巷道圍巖應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致原有支護(hù)失效[1-3]。針對深部巷道圍巖變形破壞機(jī)制以及巷道支護(hù)返修變形問題，我國相關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了深入的研究，并取得一系列科研成果，王猛等[4]剖析了巷道頂?shù)装迤茐臋C(jī)理，認(rèn)為巷道支護(hù)的關(guān)鍵在于控制主應(yīng)力引起的剪切滑移破壞；肖同強(qiáng)等[5]采用相似模擬試驗方法，揭示了埋深、構(gòu)造應(yīng)力對巷道支護(hù)穩(wěn)定性的影響規(guī)律；余偉健等[6]提出巷道圍巖變形產(chǎn)生的高應(yīng)力集中會形成應(yīng)力壓縮區(qū)，并闡明了巷道圍巖正對稱失穩(wěn)模式和角對稱失穩(wěn)模式的演化過程；劉泉聲等[7]以顧橋煤礦深井破碎巖巷為工程背景，揭示了深部破碎軟弱圍巖的支護(hù)難點(diǎn)；孟慶彬等[8]通過分析深部軟弱破碎頂板破壞特點(diǎn)，提出了梁-拱錨固承載結(jié)構(gòu)；康紅普等[9]通過分析深井巷道圍巖及支護(hù)體變形特征，采用了高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿聯(lián)合注漿的控制對策；袁亮等[10]針對復(fù)雜賦存條件下深部巖巷的變形問題，提出了深部圍巖的分類體系及支護(hù)理念。

上述研究針對巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了理論和實(shí)踐工作，為有效解決巷道支護(hù)難題提供了理論依據(jù)，但是，當(dāng)前研究多集中對巷道圍巖破壞的細(xì)觀機(jī)理論述，而對于支護(hù)措施的宏觀統(tǒng)計分析尚未有較系統(tǒng)的觀點(diǎn)，尤其是利用統(tǒng)計學(xué)知識對現(xiàn)場巷道支護(hù)工程指導(dǎo)的案例并不多見。因此，筆者以王樓煤礦二采區(qū)膠帶下山巷道工程為對象，基于統(tǒng)計學(xué)原理和方法，根據(jù)現(xiàn)場巷道變化情況運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)合數(shù)值計算相結(jié)合的方法為巷道修復(fù)提供可靠的理論支持，同時考慮巷道圍巖為非均質(zhì)體，實(shí)驗室測量的巖體力學(xué)參數(shù)與真實(shí)礦井深部井巷圍巖受力及圍巖性質(zhì)存在一定的差異，因此對巷道圍巖運(yùn)動情況進(jìn)行現(xiàn)場試驗實(shí)質(zhì)分析，從而提出有效的支護(hù)方案，確保實(shí)現(xiàn)巷道長期穩(wěn)定、有效降低巷道返修率的目的。

1 工程背景

王樓煤礦二采區(qū)膠帶下山主要為二采區(qū)及深部的七采區(qū)服務(wù)，作為運(yùn)煤和通風(fēng)之用，其服務(wù)年限較長。該巷道埋深較大且受3號煤層采動因素綜合疊加影響，處于高地應(yīng)力環(huán)境，因此導(dǎo)致二采區(qū)膠帶下山局部出現(xiàn)較大變形現(xiàn)象，頂?shù)装寮皟蓭褪諗苛窟_(dá)0.5～0.8 m，為保持巷道的基本穩(wěn)定，王樓煤礦曾對該巷道進(jìn)行了多期返修，但仍不能解決其持續(xù)性變形問題，導(dǎo)致巷道維修成本成倍增加，也嚴(yán)重影響著礦井的安全生產(chǎn)。

1.1 工程地質(zhì)條件

王樓煤礦二采區(qū)膠帶下山沿3上煤層底板布置，巷道設(shè)計為直墻半圓拱型，巷道設(shè)計寬度4.8 m，墻高1.7 m。3上煤層厚度1.8 m，3上煤層直接頂為泥巖，厚度為3～6 m，平均為5.2 m，組分以泥質(zhì)為主，少為粉砂質(zhì)，上部少夾粉砂巖條紋，底部富有植物葉片化石碎片，少見零星黃鐵礦結(jié)核，斷口平坦，少具滑面，穩(wěn)定性相對較差；基本頂以細(xì)砂巖為主，厚度25～55 m，平均為43 m，淺灰色，成分以石英為主，長石次之，次圓狀，泥硅質(zhì)膠結(jié)，分選較好，局部夾泥巖團(tuán)塊或條帶，微波狀層理至平行層理，少見炭質(zhì)線理或煤線，f=4～5，工程綜合地質(zhì)地形圖見圖1。

1.2 巷道圍巖變形破壞特征

為了掌握當(dāng)前該巷道圍巖松動特性、結(jié)構(gòu)及裂隙動態(tài)發(fā)育情況，采用CXK12(A)礦用本安型鉆孔成像儀對二采區(qū)膠帶下山巷道頂板巖層穩(wěn)定情況進(jìn)行了鉆孔窺視試驗，圖1為選取的具有代表圍巖一定特征的窺視圖，可觀察到：錨桿支護(hù)范圍內(nèi)(巷道圍巖淺部)圍巖破碎，且有離層發(fā)生，圍巖破碎深度約在0～3 m左右；巷道頂板3～3.6 m之間有垂直裂隙，但裂隙較?。幌锏理敯?.6 m以上圍巖整體性較好，未出現(xiàn)離層現(xiàn)象。從上述幾個特性可以說明巷道頂板破碎范圍僅出現(xiàn)在巷道表面3 m范圍內(nèi)，鉆孔深部圍巖完整性較好，未發(fā)生明顯破壞，將對后期巷道圍巖加固較為有利。

圖1 二采區(qū)膠帶下山鉆孔窺視圖

2 錨桿失效調(diào)查與分析

2.1 錨桿失效分布研究

二采區(qū)膠帶下山局部區(qū)域出現(xiàn)巷道整體變形，其中巷道拱部礦壓顯現(xiàn)尤為明顯，根據(jù)巷道圍巖松動圈支護(hù)理論，圍巖的最大變形載荷是松動圈產(chǎn)生過程中的碎脹變形，圍巖破裂過程中的巖石碎脹變形是支護(hù)的對象[11]，同時錨桿桿體變形狀況也反映巷道圍巖變形的程度和變形的原因，為了掌握錨桿斷裂的主要方式、斷裂長度、分布空間位置，由此分析巷道圍巖的變形程度和原因，筆者收集了二采區(qū)膠帶下山以及周邊巷道等典型區(qū)域斷裂錨桿情況，發(fā)現(xiàn)錨桿斷裂部位多呈現(xiàn)明顯的斜斷口特征，同時還觀測到大部分錨桿具有剪切滑痕，如圖2所示。為方便統(tǒng)計，將區(qū)域內(nèi)斷裂錨桿進(jìn)行統(tǒng)一編號，根據(jù)具體特征劃分類型，得出數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 錨桿斷裂失效情況

表1 失效錨桿數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

將斷裂錨桿長度劃分成遞增距離為200 mm的統(tǒng)計區(qū)間，并依次統(tǒng)計各區(qū)間內(nèi)的數(shù)量，可整理得到錨桿斷裂處距離錨桿頭的長度與統(tǒng)計數(shù)量之間的關(guān)系，根據(jù)調(diào)查情況，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)原理，得到如圖3所示的統(tǒng)計結(jié)果，不難看出錨桿斷裂的主要部位集中在錨桿絲頭位置，錨桿絲頭以外至錨桿錨固劑錨固段(0～150 mm)，錨桿斷裂數(shù)量曲線與正態(tài)分布圖具有一定的相似性。

圖3 錨桿斷裂位置與數(shù)量統(tǒng)計圖

曲線圖正態(tài)分布部分平均值為：

(1)

式中：xi——錨桿斷裂位置；

N——樣本數(shù)量；

i——斷裂錨桿樣本編號。

計算得出μ=693，即樣本錨桿平均斷裂位置在距離錨桿絲頭693 mm。

正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差為：

(2)

計算得出σ=31.8，即若不考慮因錨桿角度、錨桿絲頭變徑影響，錨桿斷裂范圍的數(shù)值與錨桿斷裂范圍呈平均值693 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為31.8的正態(tài)分布。

根據(jù)正態(tài)分布的特征，在不考慮因錨桿角度、錨桿絲頭變徑影響的情況下，錨桿斷裂的長度處于2個標(biāo)準(zhǔn)差之間的概率為95%，μ-2σ

2.2 錨桿失效機(jī)制分析

根據(jù)表1內(nèi)數(shù)據(jù)將剪切變形與支護(hù)位置占比繼續(xù)分類統(tǒng)計，結(jié)果如圖4所示，錨桿斷裂的表現(xiàn)類型主要分為兩種，即剪切斷裂和非剪切斷裂。其中剪切斷裂所占比重要高于非剪切斷裂類型，所占比例達(dá)到68%，且從圖3可以看出，錨桿斷裂長度區(qū)間多位于400～800 mm，統(tǒng)計占比達(dá)到46%，另一方面，從錨桿破壞的位置來看，雖然巷道拱部和巷道幫部均有錨桿破壞，但巷道拱部出現(xiàn)的錨桿破壞數(shù)量卻遠(yuǎn)多于巷道幫部的數(shù)量，其占比已達(dá)到86%，據(jù)統(tǒng)計，失效錨桿具有剪切裂紋且發(fā)生在拱部的概率約為74.4%，表明拱部受力錨桿以剪切斷裂為主，結(jié)合工程地質(zhì)情況以及錨桿斷口形態(tài)可以看出，此區(qū)間位于頂板泥巖區(qū)域內(nèi)，根據(jù)界面力學(xué)理論[12]，煤巖層面理想化成水平面后還需考慮層間充填物質(zhì)對界面剪切強(qiáng)度的影響，所以錨桿因頂煤與頂板彎曲或碎脹變形而被剪成斜斷口，分析其原因這是由于頂煤與頂板分界面附近煤層破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)剪切破壞或拉伸破壞，導(dǎo)致分界面處錨桿被剪斷或拉斷，其中巷道圍巖出現(xiàn)離層、相對滑動產(chǎn)生的剪切力仍然是錨桿破壞的主要因素，可見錨桿的失效與錨桿穿過的煤巖層分界面和支護(hù)的空間位置有一定的相關(guān)性。

圖4 錨桿破壞類型及破壞位置占比

因此，在綜合本工程的工程地質(zhì)情況和考慮應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)的基礎(chǔ)上，提出二采區(qū)膠帶下山巷道圍巖變形是以巷道拱部向里1329 mm圍巖發(fā)生破碎并發(fā)生相對移動的巷道變形，其中巷道拱部向里375～1011 mm范圍內(nèi)巷道圍巖相對移動最為明顯，該范圍處于煤層頂板泥巖段，同時結(jié)合巖性分析，圍巖相對移動多為巖石的蠕變或巖石碎變形所導(dǎo)致，由此，把巷道內(nèi)圍巖性質(zhì)穩(wěn)定性較差的、變形量較大的巖層稱之為“薄弱巖層”，“薄弱巖層”是需要重點(diǎn)控制的巖層。

3 巷道支護(hù)設(shè)計參數(shù)

3.1 圍巖塑性區(qū)測算

巷道開挖將會使圍巖應(yīng)力重新分布，當(dāng)重新分布的應(yīng)力超過圍巖的屈服應(yīng)力就會產(chǎn)生塑性變形區(qū)域。為求得巷道圍巖塑性區(qū)，將巷道拱部泥巖進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮試驗，求得單軸抗壓強(qiáng)度為20.8 MPa，巖石內(nèi)摩擦角46°，并根據(jù)地質(zhì)分布情況得到巷道上覆巖層平均容重為26 kN/m3。

泥巖極限平衡區(qū)的半徑為：

巷道圍巖極限平衡區(qū)寬度為：

B=R-R0

(5)

式中：R——泥巖的極限平衡區(qū)的半徑,m；

R0——巷道半徑，取2.3 m；

c——內(nèi)聚力，MPa；

σ0——單軸抗壓強(qiáng)度，取20.8 MPa；

φ——巖石內(nèi)摩擦角，取46°；

γ——上覆巖層平均容重，kN·m3；

H——巷道的埋深，取700 m。

經(jīng)過計算可知，內(nèi)聚力c為4.2 MPa，泥巖的極限平衡區(qū)的半徑R為5.75 m，圍巖極限平衡區(qū)寬度B為3.45 m。

3.2 注漿參數(shù)設(shè)定

針對巷道變形特點(diǎn)，考慮到巷道圍巖穩(wěn)定性較差、裂隙較發(fā)育，結(jié)合前期施工經(jīng)驗，采用注漿的方式填充巷道圍巖中的裂隙，將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)巖體頂板強(qiáng)度[13-14]、保證巷道圍巖穩(wěn)定性的目標(biāo)。注漿力學(xué)模型采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，即假定注漿巖體與非注漿巖體均達(dá)到極限平衡狀態(tài)，分析兩種力學(xué)狀態(tài)下巷道周邊的應(yīng)力場，以提高巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，注漿前后力學(xué)模型如圖5所示。

結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及數(shù)據(jù)測算，確定對“薄弱巖層”采用型號為Φ22 mm×6000 mm錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索間排距為800 mm×800 mm。為改變“薄弱巖層”巖石性質(zhì)，進(jìn)一步提高薄弱巖層強(qiáng)度，決定對薄弱巖層采用注漿加固技術(shù)[15-16]。由上述分析得知巷道圍巖松動圈為3 m，巷道塑性區(qū)寬度為3.45 m，因此，為保證漿體充分進(jìn)入裂隙全斷面，將注漿孔長度設(shè)定為3.5 m，根據(jù)錨桿斷裂數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果得出巷道圍巖以里693 mm處圍巖運(yùn)動較為活躍，因此將注漿管長度設(shè)定為600 mm，注漿管安設(shè)如圖6所示。

c1—未注漿巖體內(nèi)聚力；c—注漿后巖體內(nèi)聚力；ψ1—注漿前巖體內(nèi)摩擦角；ψ—注漿后巖體內(nèi)摩擦角；σ3—最小主應(yīng)力；σ1—注漿后最大主應(yīng)力；注漿后最大主應(yīng)力圖5 注漿力學(xué)模型

圖6 注漿管安設(shè)示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測結(jié)果分析

為了驗證此次支護(hù)方案的有效性，以及巷道返修后巷道圍巖的變形特征，在二采區(qū)膠帶下山巷道返修段布置了3個巷道圍巖移近量觀測點(diǎn)，通過觀測并整理得到巷道修復(fù)后90 d內(nèi)的圍巖移近量監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體觀測數(shù)據(jù)如表2所示。通過觀測點(diǎn)1數(shù)據(jù)表明，巷道頂板雖注漿后仍有近25 mm的累積移近量，但遠(yuǎn)低于設(shè)計變形量50 mm，足以抵抗圍巖的蠕變變形，而觀測點(diǎn)2和3的數(shù)據(jù)表明，頂板與兩幫的移近量基本穩(wěn)定，沒有發(fā)生過大變形。

表2 二采區(qū)膠帶下山圍巖移近量監(jiān)測

5 結(jié)論

(1)王樓煤礦二采區(qū)膠帶下山軟巖巷道鉆孔窺視結(jié)果顯示，巷道頂板破碎范圍出現(xiàn)在巷道表面3 m范圍內(nèi)，鉆孔深部圍巖完整性較好，未發(fā)生明顯破壞，將對后期巷道圍巖加固較為有利。通過對二采區(qū)膠帶下山斷裂錨桿數(shù)據(jù)及相鄰二采區(qū)行人下山失效錨索數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，剪切力仍然是錨桿破壞的主要因素。

(2)錨桿斷裂長度區(qū)間多位于400～800 mm，統(tǒng)計占比達(dá)到46%，失效錨桿具有剪切裂紋且發(fā)生在拱部的概率約為74.4%，表明拱部受力錨桿以剪切斷裂為主，認(rèn)為此次巷道返修的關(guān)鍵在于控制頂板煤巖分界面處的剪切滑移變形。

(3)提出二采區(qū)膠帶下山巷道圍巖變形范圍在拱部向里1329 mm，其中活動明顯區(qū)域為巷道拱部向里375～1011 mm范圍，由此找出巷道支護(hù)受剪切破壞的薄弱位置，使礦井巷道支護(hù)明確目標(biāo)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)科學(xué)施工，同時通過理論對比分析，優(yōu)化了巷道注漿參數(shù)、錨索選型，通過現(xiàn)場實(shí)施來看，巷道圍巖性質(zhì)得到改善，巷道支護(hù)選型可靠，支護(hù)效果較為顯著。