高地應(yīng)力軟巖巷道錨網(wǎng)索拱協(xié)同耦合支護技術(shù)研究

王 博，王曉燕，黨林航

(1.寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué)，銀川 750021；3.中交通力建設(shè)股份有限公司，西安 710054)

對地下礦山的開采而言，巷道支護是影響礦山安全的關(guān)鍵因素。隨著開采深度的加大，巷道壓力增加，頂板圍巖條件日趨復(fù)雜，圍巖在開挖后較長時間內(nèi)難以穩(wěn)定，巷道維護困難，嚴重困擾煤礦的安全采掘。

錨桿支護作為一種主動支護方式，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，但隨著深埋大變形巷道的日趨增多，錨桿支護在工程應(yīng)用中也存在著一定問題。在組成支護體系的各個構(gòu)件中，錨桿是最主要的作用構(gòu)件，但是隨著巷道埋深的加大，支護環(huán)境的復(fù)雜，僅僅依靠錨桿很難控制圍巖變形，需要與錨索、托梁、拱架等構(gòu)件組合使用，充分發(fā)揮錨桿對圍巖的主動支護作用。單仁亮等[1]研究表明通過錨索二次耦合支護調(diào)動深層圍巖的強度及底角錨桿來限制巖層移動避免巖體開挖之后進一步破碎開裂，可以有效地控制圍巖的變形。何滿潮等[2]通過研究大變形巷道支護原理，表明錨網(wǎng)拱梁聯(lián)合支護最為適合大變形巷道。金志剛在深埋軟巖高應(yīng)力綜放回采巷道中采用錨桿、錨索支護技術(shù)，經(jīng)實踐證明，錨桿、錨索聯(lián)合支護技術(shù)適應(yīng)性強、支護強度高，能夠有效防止圍巖的變形，增加巖體支撐作用。由于高地應(yīng)力巷道支護的問題復(fù)雜，變形、破壞機理仍處于研究探索階段，雖然近年來在理論研究和工程實踐中取得了一定成果，但高應(yīng)力軟巖巷道支護問題依然是一項技術(shù)難題，研究高應(yīng)力軟巖支護技術(shù)將對我國礦山高應(yīng)力開采具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值[3]。

1 錨網(wǎng)索拱協(xié)同耦合支護技術(shù)

高地應(yīng)力軟巖巷道變形實際是巷道圍巖在應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形的結(jié)果。當圍巖與支護體系出現(xiàn)力學(xué)特點不耦合，就會首先在巷道關(guān)鍵部位出現(xiàn)較大變形，最終導(dǎo)致支護體系整體失效。

錨網(wǎng)索拱協(xié)同耦合支護主要針對高地應(yīng)力軟巖巷道在關(guān)鍵部位所產(chǎn)生的塑性變形，通過在關(guān)鍵部位實施錨索二次耦合支護來限制圍巖產(chǎn)生較大變形，并結(jié)合強力拱架支撐，實現(xiàn)圍巖荷載均勻擴散，提高巷道的整體穩(wěn)定性[4]。

軟巖巷道變形主要為塑性變形，巷道圍巖往往出現(xiàn)變形時間長、變形量大的特點。對軟巖巷道進行支護，必須從“單點限制變形原理”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢w協(xié)同變形原理”。關(guān)鍵部位二次耦合支護的重點在于能否合理確定錨索支護的位置與時間，并準確計算支護參數(shù)，確保支護構(gòu)件能在關(guān)鍵部位有效發(fā)揮作用，充分調(diào)動圍巖自穩(wěn)能力[5]。對關(guān)鍵部位實施錨索耦合支護的具體過程包括：巷道開挖后，及時施工錨網(wǎng)初次支護；通過巷道圍巖變形監(jiān)測，結(jié)合數(shù)值模擬分析與力學(xué)計算，準確確定錨索作用的關(guān)鍵位置與施工參數(shù)；通過錨索在關(guān)鍵部位的支護作用，結(jié)合強力拱架支撐，使支護體系與圍巖最終達到耦合狀態(tài)，確保巷道施工安全。

2 實際工況

實際工況巷道埋深約310 m，煤層平均厚度13 m，煤層頂、底部破碎，特別是巷道頂板下沉量較大。煤層單軸抗壓強度為18.5 MPa，頂板單軸抗壓強度為55 MPa，底板單軸抗壓強度為32.5 MPa。巷道頂部和幫部為砂巖，巷道底部為砂巖或礫巖。巷道出現(xiàn)變形主要是由上覆巖層自重應(yīng)力及采空區(qū)動壓作用所造成，屬于典型高應(yīng)力大變形巷道。

采用鉆孔窺視儀對巷道進行了原位測試。孔位垂直于頂板，深9.0 m，測試結(jié)果如圖1所示。

從頂部鉆孔的截圖可以發(fā)現(xiàn)，該巷道頂板圍巖分層明顯；在5 m范圍以外，裂縫數(shù)量較少，裂縫不明顯；在5 m范圍內(nèi)，裂縫出現(xiàn)較多，裂縫明顯變寬。在3 m范圍內(nèi)，巷道圍巖破碎明顯；在2 m范圍內(nèi)，巷道圍巖破碎進一步加劇。

3 巷道支護參數(shù)設(shè)計

根據(jù)耦合支護理論公式，分別計算初次耦合支護參數(shù)和二次耦合支護參數(shù)。

3.1 初次耦合支護參數(shù)計算

1)錨桿長度計算

lg=lg1+lg2+lg3

(1)

式中：lg—錨桿長度，m；lg1—錨桿外露長度，取0.1 m；lg2—錨桿工作長度，m；lg3—錨桿黏結(jié)長度，取0.3 m。

大變形巷道中錨桿工作長度lg2按式(2)計算。

(2)

式中：b—巷道寬度，m；k1—抗拉安全系數(shù)，一般取3～5；Pd—頂板圍巖支護荷載，kN/m2；σt—巖體平均抗拉強度，MPa。

其中頂板圍巖支護荷載Pd按式(3)計算。

(3)

式中：Pd—頂板圍巖支護荷載，kN/m2；k—支護安全系數(shù)，一般取為1.2～2.0；L—圍巖承載長度，m；W—頂板內(nèi)圍巖重量，kN/m。

式(3)中圍巖承載長度L，頂板圍巖支護荷載Pd分別采用式(4)和式(5)計算。

(4)

式中：b—巷道寬度，m；h—直墻圓拱形巷道拱高，m。

W={[b+(h+mz)tanβ](h+mz)-bh}γ

(5)

按式(4)計算圍巖承載長度L長度為：

=1.57×2.5

=3.925 m

按式(5)計算頂板內(nèi)圍巖重量W為：

W={[b+(h+mz)tanβ](h+mz)-bh}γ

={[5+4.7×tan 27.5°]×4.7-3×2.5}×25

={7.444×4.7-7.5}×25

=687.17 kN/m

按式(3)計算頂板圍巖支護荷載Pd為：

=350.15 kN/m2

按式(2)計算錨桿工作長度lg2為：

=2.09 m

則按式(1)計算錨桿長度為：

lg=lg1+lg2+lg3

=0.1+2.09+0.3

=2.39 m

綜合考慮該巷道實際情況與類似工程經(jīng)驗，錨桿長度取2.5 m。

2)錨桿間排距計算

錨桿間排距按式(6)計算。

(6)

錨桿可以為直徑22 mm的Q235無縱筋螺紋鋼錨桿，破壞荷載[σb]取144 kN，錨桿間排距按式(6)計算為：

=0.64 m

考慮本巷道采用錨網(wǎng)索拱強力支護，參考類似巷道支護施工經(jīng)驗，錨桿間排距取700 mm。

3.2 二次耦合支護參數(shù)計算

1)錨索長度計算

ls=ls1+ls2+ls3

(7)

式中：ls—錨索長度，m；ls1—錨索外露長度，取0.3 m；ls2—錨索工作長度，m；ls3—錨索黏結(jié)長度，取1.3 m。

參考類似工程，錨索工作長度ls2可式(8)確定。

(8)

式中：b—巷道寬度，m；hi—巷道穩(wěn)定巖層下厚度，m；i—巷道穩(wěn)定巖層下巖體層數(shù)。

錨索工作長度ls2按式(8)計算為7.5 m。則錨索長度按式(7)計算為：

ls=ls1+ls2+ls3

=0.3+7.5+1.3

=9.1 m

2)錨索間排距計算

錨索間排距按式(9)確定。

(9)

式中：b—巷道寬度，m；γ—上覆巖體平均重量，kN/m3；[σa]—單根錨索的極限破斷力，取260 kN；k2—安全系數(shù)，一般取3～5。

錨索可以采用15.24 mm的鋼絞線，極限破壞荷載為260 kN，按式(9)計算。

=1.56 m

錨索排距按式(9)計算數(shù)值確定，錨索間距參考錨桿間距設(shè)計。錨索施加的時間應(yīng)在圍巖與錨桿錨固段之間巖層變形由急劇向緩慢轉(zhuǎn)化時，大約距工作面20 m。錨索施加的關(guān)鍵位置可采用數(shù)值模擬分析得出[6]。

4 數(shù)值模擬分析計算

為了進一步明確錨索施加的關(guān)鍵位置，確定錨網(wǎng)索拱支護效果，采用有限差分軟件FLAC進行數(shù)值模擬分析。以某高地應(yīng)力松軟破碎巷道為計算模型，用錨桿單元模擬錨桿、錨索，鋼拱架、金屬網(wǎng)通過公式計算折算為殼單元，梁與巖層之間設(shè)有接觸面，模型力學(xué)參數(shù)如表1所示[7]。

由圖2、圖3可知，巷道開挖后，圍巖應(yīng)力在洞壁處高度集中，原巖應(yīng)力狀態(tài)已被破壞，圍巖應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的二次重分布。當塑性區(qū)產(chǎn)生后應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)持續(xù)變大，巷道頂部變形尤為明顯，直至應(yīng)力強度超過圍巖強度后，圍巖整體失穩(wěn)破壞[8]。

由圖4、圖5可知，巷道頂板采用錨桿、鋼筋網(wǎng)初次支護后頂板變形得到一定控制，但頂板變形仍然較大，為28.3 mm，塑性區(qū)主要集中在巷道頂板中線25°左右，特別是距前排錨桿支護后的0.5 m處是錨桿支護的薄弱區(qū)域，此區(qū)域應(yīng)視為錨索二次耦合關(guān)鍵位置區(qū)。

由圖6、圖7可知，在關(guān)鍵部位采用錨索協(xié)同支護后，巷道頂板變形量由28.3 mm下降至13.6 mm，配合鋼拱架使用后幫部、底板變形也得到了明顯控制，圍巖塑性區(qū)顯著減少。這表明施加錨網(wǎng)索拱協(xié)同支護后有效控制了巷道圍巖的變形，提高了圍巖的承載能力。

5 施工監(jiān)測

對該巷道目前采用的錨網(wǎng)索拱支護方案。其中頂部錨桿參數(shù)為Φ22 mm×2 500 mm。幫部錨桿參數(shù)為Φ22 mm×2 000 mm。錨桿間、排距為700 mm×700 mm。網(wǎng)片采用鋼塑復(fù)合網(wǎng)，網(wǎng)片參數(shù)為900 mm×2 200 mm。錨索采用7股低松弛鋼絞線，錨索參數(shù)為Φ15.24 mm×9 100 mm，排距為4根/3排，3排數(shù)量分別為2-1-1，同排間距為1 500 mm。鋼架為拱形可縮支架。

對該巷道進行位移變形監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容有兩幫相對移近和頂板下沉量。巷道斷面收斂監(jiān)測采用收斂計，頂板離層監(jiān)測采用多點位移計。

通過圖8～10三個測站位移曲線圖可知頂板下沉量最大值為13.7 mm，兩幫移近量最大值57.3 mm，在巷道施工過程中，巷道圍巖變形經(jīng)過20～25 d逐漸達到了穩(wěn)定狀態(tài)，說明支護體系對試驗巷道起到了較好的支護效果。圖11中錨索受力最大值為157 kN，圖12中錨桿受力最大值為48 kN，說明錨桿、錨索的支護能力得到了充分利用，同時支護構(gòu)件仍具有較高的安全儲備。

6 結(jié)論

1)采用理論計算和數(shù)值模擬分析計算了工況巷道的圍巖變形破壞特征及錨桿、錨索支護參數(shù)。該巷道錨索二次耦合關(guān)鍵位置在巷道頂板中線25°左右，距工作面20 m時應(yīng)及時安設(shè)錨索。

2) 高地應(yīng)力巷道錨網(wǎng)索拱支護體系可以有效地提高巷道淺部自穩(wěn)能力，巷道變形減小，圍巖和支護體系最終達到耦合狀態(tài)。

3) 現(xiàn)場支護施工監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，錨網(wǎng)索棚協(xié)同耦合支護方案在高地應(yīng)力巷道應(yīng)用效果良好，頂板下沉量的最大值為14.7 mm，兩幫移近量最大值為57.3 mm，錨桿、錨索的支護能力在得到了充分利用的同時仍具有較高的安全儲備，為此類型巷道支護提供了參考。