軟弱圍巖巷道錨桿擴孔錨固技術(shù)研究與應用

李朝

【摘 要】 文章針對洪崖煤業(yè)3#煤層回采巷道在掘進期間礦壓顯現(xiàn)強烈的現(xiàn)狀，以及圍巖自身性質(zhì)松軟的特性，綜合現(xiàn)場原位探測、支護體拉拔檢測等方式對圍巖賦存特征及錨固體錨固性能進行了分析，提出擴孔錨固優(yōu)化支護技術(shù)，并經(jīng)數(shù)值模擬及工業(yè)試驗進行了深入研究。結(jié)果表明：圍巖性質(zhì)松軟及錨固體錨固力不足是巷道發(fā)生失穩(wěn)的最根本原因;通過錨固體孔底楔形擴孔錨固的方式可有效提高錨桿錨固力，更好地發(fā)揮其主動支護圍巖的作用。

【關(guān)鍵詞】 礦壓顯現(xiàn);原位探測;擴孔錨固;主動支護

【中圖分類號】 TD353 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0022-03

本文以洪崖煤業(yè)3#煤層回采巷道為研究對象，綜合現(xiàn)場原位探測、數(shù)值模擬的方法針對性地提出了錨固孔孔底擴孔錨固的優(yōu)化支護技術(shù);并經(jīng)井下試驗應用得知，此技術(shù)有效改善了實際巷道軟弱圍巖的控制難題，同時對其他類似條件巷道的支護優(yōu)化提供了一定的指導。

1工程概況

洪崖煤業(yè)81212綜采工作面主采3#煤層。3#煤層頂?shù)装寰鶠閺姸容^低的不穩(wěn)定泥巖層，其賦存特征如表1所示。

81212回采巷沿3#煤層底板掘進，巷道斷面為矩形，巷道掘進寬度3.8m，掘進高度2.4m，凈寬度3.7m，凈高度2.3m，支護方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。支護布置如圖1所示，頂錨桿采用φ22×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排5根，間排距900×1000mm，靠幫的角錨桿與頂板呈不小于75°夾角;幫錨桿采用φ22×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排3根，間排距800×1000mm，距頂300mm;頂錨索采用φ17.8×4600mm鋼絞線錨索，在巷中布置，排距3000mm;頂網(wǎng)采用φ4mm鋼筋網(wǎng)，尺寸1.2m×2.4m，幫網(wǎng)采用10#金屬菱形網(wǎng)，金屬網(wǎng)尺寸1.0×10m。

2巷道支護現(xiàn)狀分析

洪崖煤業(yè)81212回采巷道在掘進過程中礦壓顯現(xiàn)較為強烈，頂板破碎變形嚴重、局部下沉明顯并伴有小范圍冒頂現(xiàn)象，且據(jù)頂板位移監(jiān)測設(shè)備顯示其頂板淺部有明顯數(shù)值的離層發(fā)生。因此，針對該巷道變形破壞嚴重及其支護不足的特征，需對圍巖賦存情況及其支護體特性做出進一步研究。

2.1圍巖賦存特征探測

巷道圍巖屬性是決定其穩(wěn)定的最根本原因，據(jù)3#煤層及其頂?shù)装遒x存條件可知，3#煤層自身厚度不勻且易崩解，其直接頂為強度較低、賦存較不穩(wěn)定的泥巖層;為能更清楚地探明頂板結(jié)構(gòu)特征，于81212回采巷選取頂板較破碎處進行多組窺視研究，本次探測采用TYJD10型礦用巖層探測儀。

如圖2所示為某鉆孔窺視成像結(jié)果，由此可見，81212回采巷道頂板0～2m范圍內(nèi)整體較為破碎、結(jié)構(gòu)松散，并伴有局部較嚴重的裂隙發(fā)育現(xiàn)象，巷道淺部頂板煤巖層整體穩(wěn)定性較差。

2.2錨桿錨固性能測試

結(jié)合上述窺視結(jié)果分析，81212回采巷道頂板結(jié)構(gòu)破碎復雜，尤其體現(xiàn)在頂板淺部不穩(wěn)定煤層與泥巖層范圍內(nèi)，而該范圍恰是巷道支護結(jié)構(gòu)中錨桿錨固區(qū)范圍，因此有必要對該處圍巖的可錨性進行深入研究，以了解巷道支護體的錨固性能，從而解決巷道支護不足、頂板不穩(wěn)定的問題。

在81212回采巷選取試驗點進行頂板錨桿錨固性能試驗，本次試驗采用φ22×2200mm螺紋鋼錨桿，并分別配合以不同組合的錨固劑進行現(xiàn)場拉拔試驗，抽取兩組試驗結(jié)果如表2所示。

可見，當僅使用一支錨固劑時錨桿平均錨固力僅為19.62kN，當使用兩支錨固劑時錨桿錨固力顯著提升，但對于實際頂板控制效果仍不佳;就此試驗結(jié)果表明實際條件下，頂板淺部錨桿錨固力普遍偏低、錨固性能較差。

3錨桿擴孔錨固技術(shù)研究

在巷道支護過程中，除圍巖自身屬性決定其穩(wěn)定性程度外，支護結(jié)構(gòu)的支護性能是決定巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，而在軟弱圍巖條件下，圍巖錨固力強度主要取決于錨固體自身與圍巖的接觸作用情況。因此，針對81212回采巷圍巖賦存結(jié)構(gòu)復雜、巷道頂板煤巖層松軟破碎，以及巷道支護體錨固力弱的特點，結(jié)合土建基礎(chǔ)施工過程中樁基擴底強化技術(shù)的原理，針對性地提出擴孔錨固支護技術(shù)，即通過對錨固體端部擴孔加強錨固劑與圍巖接觸的方式來增加錨固劑-孔壁間黏結(jié)力，從而達到提高錨固體-圍巖間作用力的目的。

3.1 ANSYS數(shù)值模型建立

為確定合理的擴孔方式，借助ANSYS數(shù)值模擬軟件分別對不同擴孔形狀的錨固體進行模擬分析，并通過比較不同形態(tài)下錨固體的應力分布規(guī)律及錨固體位移情況來得出最佳方案。本次模擬中對于圍巖與錨固劑均采用Drucker-Prager模型，該準則下屈服面不受材料屈服的影響，模型中錨固體外表面上全部節(jié)點所有方向自由度均約束為0，圍巖體與錨固劑參數(shù)如下表3所示。

如圖3所示，分別以普通端錨（錨固段鉆孔直徑20mm）、端部圓形擴孔（錨固段鉆孔直徑40mm）、端部楔形擴孔（錨固段底邊長40mm/28mm）三種不同的錨桿錨固方式進行試驗，其中，本次計算中模擬錨桿尺寸為φ22×2200mm，錨桿錨固段長度為500mm，錨桿自由段鉆孔直徑為28mm，同時于試驗錨桿端部統(tǒng)一施加50kN載荷作為模擬拉拔條件。

3.2 錨固體應力分布分析

如圖4所示為不同錨固方案下錨固體應力分布云圖，可見，錨固體由錨固段至自由段整體受力均體現(xiàn)為逐漸增加趨勢，但不同擴孔形式錨固條件下錨固體的拉應力峰值有所不同。其中，在同等模擬環(huán)境下，錨桿普通端錨時其最大拉應力值為122.0MPa;錨桿端部采用圓形擴孔錨固時其最大拉應力值為196.8MPa，較普通端錨時提升約61.3%;錨桿端部采用楔形擴孔錨固時其最大拉應力值為303.2MPa，較普通端錨時提升約148.5%，較端部圓形擴孔錨固時提升約54.1%。該試驗結(jié)果表明，通過對錨桿孔底擴孔增加錨固劑-圍巖接觸作用的方式可有效提高支護體錨固力;同時可知，采用端部楔形擴孔的方式能夠更好地發(fā)揮錨固體主動支護圍巖的作用。

3.3錨固體位移變化分析

如圖5所示為不同錨固方案下試驗錨固體位移云圖，可見，由于鉆孔底部擴孔的原因，錨桿與圍巖間自然空間增加，當錨桿端部采用圓形擴孔與楔形擴孔錨固時，錨固體整體位移量較普通端錨時有所增加。其中，底部擴孔形狀為圓形及楔形形狀時，錨桿體中心位移量分別約為0.7mm、1.5mm，此時楔形擴孔模型中錨桿體雖有明顯位移變化，但其位移變化值較小且錨固系統(tǒng)并未破壞，因此在楔形擴孔條件下錨固體極限拉拔載荷仍有可提升空間。

4工程應用

在巷道頂板正常掘進揭出后對頂板進行擴孔試驗，即通過現(xiàn)場擴孔錨固并對錨固完成的錨桿再次拉拔檢測其錨固力的方式，來驗證所提出的擴孔錨固技術(shù)的合理性與有效性。

如圖6所示，考慮到實際錨固及擴孔操作條件，以及上文研究結(jié)果中楔形擴孔的明顯支護優(yōu)勢，本次試驗中錨桿鉆孔底部楔形孔狀尺寸為長度500mm、上底40mm、下底28mm，其中拉拔試驗錨桿為φ22×2200mm螺紋鋼錨桿配合K2350+Z2350錨固劑錨固。

如表4所示，抽取3組正常錨固狀態(tài)下的試驗錨桿分別進行現(xiàn)場拉拔檢測，可見，所測3組錨桿的錨固力無較大偏差，試驗錨桿平均錨固力為74.16kN，較原先普通錨固條件下的錨桿錨固力提升約91.6%。此試驗研究結(jié)果表明，在同等支護條件下，通過對巷道錨固孔采用孔底楔形擴孔的方式可有效提高錨固體的錨固性能，從而加強其對圍巖的支護控制作用，提升巷道圍巖的穩(wěn)定性。

5結(jié)論

洪崖煤業(yè)81212回采巷道頂板淺部范圍內(nèi)煤巖體整體結(jié)構(gòu)較為破碎松散，并發(fā)育有明顯的裂隙，圍巖自身性質(zhì)軟弱是巷道發(fā)生失穩(wěn)的最根本原因;同時據(jù)現(xiàn)場錨桿拉拔試驗結(jié)果表明，現(xiàn)支護條件下錨桿錨固力普遍偏低，錨固性能較差。

通過對錨固孔底擴孔增加錨固劑-圍巖接觸作用的方式可有效增強支護體與圍巖間黏結(jié)力、提高支護體的錨固力;同時，采用錨固孔底楔形擴孔的方式能夠更好地發(fā)揮錨固體主動支護圍巖的作用。

較原先錨桿普通端錨支護時，當經(jīng)錨桿錨固孔底楔形擴孔加強錨固后，錨桿錨固力提高約91.6%，錨固性能明顯提升，巷道松軟圍巖得到了更好的控制。

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