“錨網(wǎng)噴+注漿錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)數(shù)值模擬分析*

鄒詩(shī)同,彭文慶,汪琦,朱豪

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

隨著煤礦開(kāi)采活動(dòng)的日益加劇,淺部煤礦資源已經(jīng)接近枯竭,為了滿足煤礦資源的使用要求,開(kāi)采活動(dòng)逐漸向深部轉(zhuǎn)移.而在這一過(guò)程中,巷道圍巖將不可避免地轉(zhuǎn)變?yōu)樯畈寇泿r，這使得巷道的支護(hù)難度急劇增大,支護(hù)后的維護(hù)難度也相應(yīng)提高.

深部軟巖巷道通常具有以下特點(diǎn)[1]:(1)圍巖來(lái)壓快,變形速率高,圍巖從揭露到變形的時(shí)間間隔短,有時(shí)巷道開(kāi)挖之后甚至沒(méi)來(lái)得及支護(hù),圍巖就已經(jīng)發(fā)生顯著變形.(2)巷道變形大,變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),圍巖受到擾動(dòng)的范圍大,有明顯流變性,變形難以收斂,而且對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)和環(huán)境變化非常敏感[2].

目前用于淺部巷道的單一支護(hù)方式已經(jīng)無(wú)法滿足圍巖變形的要求.針對(duì)深部軟巖巷道的變形特點(diǎn),需要將錨桿支護(hù)、注漿加固、可縮性金屬支架、鋼筋混凝土圈體等幾種支護(hù)形式進(jìn)行組合,形成聯(lián)合支護(hù)體系.近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深部軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究[3-10],針對(duì)多處深部軟巖巷道提出了多種支護(hù)方案.余偉健和高謙針對(duì)“錨噴網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)方案提出了疊加拱承載體強(qiáng)度理論,并結(jié)合錨桿的中性點(diǎn)理論及錨索的力傳遞機(jī)制理論推導(dǎo)出疊加拱承載體強(qiáng)度計(jì)算方程[11].李桂臣提出了“混凝土噴射+中空注漿錨索+深孔全長(zhǎng)注漿錨桿”聯(lián)合支護(hù)方案,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了支護(hù)方案的可行性,但并未對(duì)該支護(hù)技術(shù)進(jìn)行理論分析,缺乏一定理論的基礎(chǔ)支撐[12].王衛(wèi)軍提出高應(yīng)力軟巖巷道穩(wěn)定性控制應(yīng)包括遏制圍巖破碎區(qū)擴(kuò)大,固定破碎松動(dòng)巖塊,提高圍巖整體性以及避免巷道翻修,降低巷道維護(hù)成本兩方面,并對(duì)“可接長(zhǎng)錨桿+剛性長(zhǎng)螺紋鋼錨桿+錨網(wǎng)+W鋼帶+噴射混凝土”綜合控制技術(shù)進(jìn)行了工程實(shí)踐[13].李力以城郊煤礦為例,對(duì)深井強(qiáng)礦壓弱結(jié)構(gòu)圍巖巷道錨網(wǎng)支護(hù)體系的機(jī)理與應(yīng)用進(jìn)行了分析[14].朱家道結(jié)合山腳樹(shù)煤礦的實(shí)例,選擇中空注漿錨索巷道支護(hù)方案,模擬了高應(yīng)力深部軟巖巷道支護(hù)形式[15].李萬(wàn)峰通過(guò)全長(zhǎng)錨固+錨索支護(hù)的方式,較好地解決了軌道大巷穿越應(yīng)力集中區(qū)的巷道大變形問(wèn)題[16].王通結(jié)合山西中部某礦區(qū)地質(zhì)背景,提出了鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù),并對(duì)其進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)[17].付文龍通過(guò)采用頂板讓壓錨索與兩幫補(bǔ)設(shè)錨索的方式形成頂幫協(xié)調(diào)支護(hù)，解決了平煤十二礦某回風(fēng)巷的巷道變形問(wèn)題[18].鐘誠(chéng)利用“高強(qiáng)度錨(索)噴網(wǎng)結(jié)合U型鋼可縮支架及壁后充填”技術(shù)解決了斜溝煤礦18209皮帶巷的支護(hù)問(wèn)題[19].劉向軍通過(guò)分析研究山西省晉城煤業(yè)集團(tuán)長(zhǎng)平礦深井軟巖巷道的錨桿、錨索、圍巖注漿等支護(hù)形式共同組成的錨注聯(lián)合支護(hù)形式的支護(hù)機(jī)理,在該礦井軟巖巷道的穩(wěn)定性支護(hù)中取得成功應(yīng)用[20].惠金衛(wèi)采用“錨桿+鋼絲繩網(wǎng)+噴射混凝土+泄壓”的緩釋疊加應(yīng)力支護(hù)技術(shù),成功修復(fù)核桃峪煤礦1802反風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷[21].姚寧針對(duì)杜兒坪煤礦西側(cè)軌道大巷提出了“初次支護(hù)+錨注加固”聯(lián)合支護(hù)方案[22].付仁龍?zhí)岢隽艘宰{錨桿為核心的錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[23].本文將以平煤股份六礦三水平戊二采區(qū)軌道上山為對(duì)象,通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬,分析“錨網(wǎng)噴+注漿錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的支護(hù)效果,以驗(yàn)證該支護(hù)技術(shù)的可行性.

1 工程概況

三水平暗軌(軌道暗斜井)于2007年施工,原設(shè)計(jì)為三水平輔助運(yùn)輸巷,上口標(biāo)高-436 m,連接二水平軌道大巷,下口標(biāo)高-645 m,連接三水平丁二上車場(chǎng)、三水平戊二中車場(chǎng),總長(zhǎng)1 450 m.礦最大主應(yīng)力31.6 MPa左右,方向?yàn)?85.9 °,傾角-11.2 °；中間主應(yīng)力為15.6 MPa,方向?yàn)?66.6 °,傾角-52.9 °；最小主應(yīng)力為12.8 MPa,方向?yàn)?07.8 °,傾角19.8 °.同時(shí)根據(jù)該軌道上山的方位角判定,該巷道沿著最大主應(yīng)力方向掘進(jìn),其軸向水平應(yīng)力為31.6 MPa,垂直巷道軸向的水平應(yīng)力為12.8 MPa,巷道所受垂直應(yīng)力為15.6 MPa.煤層情況及頂?shù)装迩闆r分別見(jiàn)表1和表2.

表1 煤層情況表

表2 煤層頂?shù)装迩闆r表

第一期擴(kuò)修工程長(zhǎng)100 m,巷道設(shè)計(jì)斷面寬5 m×高3.6 m.錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù),一個(gè)斷面采用16根錨桿,錨桿選用Ф22 mm×2 600 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,錨桿間排距為700 mm×700 mm,金屬網(wǎng)為Ф6 mm,網(wǎng)格100 mm×100 mm,規(guī)格為1 000 mm×800 mm.金屬網(wǎng)接茬處必須有錨桿并緊貼巖面,網(wǎng)間搭茬長(zhǎng)度不少于100 mm.噴射砼厚度為80 mm,強(qiáng)度為C20.一個(gè)斷面采用9根錨索,錨索采用Ф21.6 mm×6 500 mm的普通錨索,間排距1 400×1 400 mm,底板采用Ф21.6 mm×6 500 mm的7股鋼絞線中空注漿錨索,錨索排式布置,孔深6.5 m,間排距為1 200 mm×1 400 mm,每排4根,其中2根與底板呈45 °布置,另外2根注漿錨索垂直底板布置.原始支護(hù)方案及最終支護(hù)方案分別見(jiàn)圖1和圖2.

圖1 三水平暗軌原支護(hù)方案(單位：mm)

圖2 三水平暗軌最終支護(hù)方案(單位：mm)

2 深部軟巖巷道變形失穩(wěn)機(jī)理

根據(jù)彈塑性理論,巷道圍巖由巷道表面到深部可依次劃分為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)以及原巖應(yīng)力區(qū),如圖3.

圖3 巷道圍巖分區(qū)

根據(jù)Kastner公式:

(1)

(2)

式中：a為圓形巷道半徑，m;R為巷道塑性區(qū)半徑,m;p0為原巖應(yīng)力,MPa;p為支護(hù)阻力,MPa;C為圍巖內(nèi)聚力,MPa;φ為巖石內(nèi)摩擦角,(°);u為巷道表面位移,m;G為圍巖剪切模量,MPa.

從式(1)和式(2)可看出,支護(hù)阻力p影響塑性區(qū)范圍R的大小及巷道表面位移u的大小.但由于支護(hù)阻力通常只有0～1 MPa,只占原巖應(yīng)力的百分之幾,單純靠增加支護(hù)阻力控制巷道變形的效果只會(huì)越來(lái)越弱,很難長(zhǎng)期維持巷道圍巖的穩(wěn)定.而增大圍巖內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角之后,塑性區(qū)范圍及巷道表面位移有明顯減小.這表明在增大支護(hù)阻力的同時(shí),還要提高圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角,才能更加有效控制巷道變形,提高圍巖穩(wěn)定性.

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為了驗(yàn)證該支護(hù)方案的支護(hù)效果,圍巖采用莫爾-庫(kù)倫材料模型,巷道采用空模型,錨桿錨索采用cable結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行數(shù)值模擬.模型長(zhǎng)40 m，寬10 m，高30 m,由上至下巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3.原始支護(hù)方案及改進(jìn)方案的三維模型分別見(jiàn)圖4和圖5.

表3 巖層力學(xué)參數(shù)

圖4 原始方案三維模型

圖5 改進(jìn)方案三維模型

3.2 模擬結(jié)果對(duì)比分析

方案模擬結(jié)果對(duì)比分析如表4所示.

表4 方案模擬結(jié)果對(duì)比分析

續(xù)表4

綜上,改進(jìn)方案相較于原始方案,巷道變形量有所減少,并且破壞區(qū)以及應(yīng)力集中區(qū)范圍也有所縮小.

4 結(jié)論

1)改進(jìn)方案的巷道位移相較原始方案有明顯減少,破壞區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)的分布范圍也明顯縮小.這表明“錨網(wǎng)噴+注漿錨索”聯(lián)合支護(hù)可以有效控制巷道圍巖穩(wěn)定性,防止冒頂、片幫事故發(fā)生.

2)通過(guò)被動(dòng)支護(hù)與主動(dòng)支護(hù)相結(jié)合，在增加支護(hù)阻力的同時(shí),增強(qiáng)圍巖自身的承載能力,在一定程度上阻止塑性區(qū)的惡性擴(kuò)展,可以達(dá)到更好的圍巖控制效果，有效減小巷道變形量.