預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索受力特征及工程應(yīng)用

張 占 濤

(1.煤炭科學(xué)研究總院有限公司 開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

0 引 言

隨著煤礦開采范圍和深度的不斷增大，出現(xiàn)大量高應(yīng)力巷道、極破碎圍巖巷道、特大斷面巷道、動(dòng)壓巷道及沿空巷道等，井下巷道圍巖變形破壞不斷加劇，巷道的支護(hù)愈來愈困難，預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索支護(hù)得到廣泛應(yīng)用[1]。

目前對全長錨固錨索進(jìn)行已有研究，從研究方法角度，大致可以分為理論研究、數(shù)值模擬及現(xiàn)場驗(yàn)證3種：劉才華等[2]系統(tǒng)分析全長錨固在節(jié)理巖體中作用機(jī)理，探究其在拉剪作用下的力學(xué)特性及變形規(guī)律；王文杰等[3-4]分析動(dòng)載作用下全長錨固錨索力學(xué)響應(yīng)及破壞特征，并采用數(shù)值模擬方法分析其在軟巖巷道中支護(hù)效果；王保田等[5]建立桿體界面位移、軸力及剪力的解析解，并推導(dǎo)出雙曲線本構(gòu)方程；李沖等[6]采用理論分析方法研究預(yù)應(yīng)力全長錨固體受力特征，分析了軸向應(yīng)力、剪應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力之間關(guān)系以及軸向應(yīng)力與剪應(yīng)力分布規(guī)律；周浩等[7]以中性點(diǎn)理論為基礎(chǔ)，導(dǎo)出載荷傳遞微分方程，并求解得到錨固體界面剪應(yīng)力和軸向力分布函數(shù)；于遠(yuǎn)祥等[8]建立全長錨與圍巖相互作用力學(xué)模型，并將關(guān)注點(diǎn)向圍巖轉(zhuǎn)移，提出應(yīng)力重分布后圍巖破裂力學(xué)判據(jù)；吳潤澤等[9]分析全長錨索載荷、長度及開挖空間尺寸對軸力、剪力及相對位移的影響；陶文斌等[10]對比分析加長錨與全長錨各自優(yōu)勢，提出高預(yù)緊力后張法全長錨固支護(hù)方法，并計(jì)算受力特征及圍巖承載能力；孟祥瑞等[11]采用PFC顆粒流數(shù)值模擬方法分析錨固劑及錨索彈性模量、錨索載荷等對錨索應(yīng)力分布的影響；朱萬成等[12]準(zhǔn)確分析全長錨載荷傳遞機(jī)制，以雙曲線剪切模型與線性強(qiáng)化彈塑性模型為基礎(chǔ)提出適用于全長錨的數(shù)值模型，并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性；楊計(jì)先等[13]采用數(shù)值模擬的方法研究了巷硐群大范圍連鎖破壞機(jī)理，提出深淺孔雙液注漿配合全長錨固強(qiáng)力錨索的綜合加固技術(shù)，且現(xiàn)場實(shí)踐效果良好；顏立新等[14]將超前注漿與高預(yù)緊力全長錨固錨索運(yùn)用于大斷面巷硐底鼓治理中，支護(hù)效果明顯改善；針對淮南礦區(qū)深部巷道支護(hù)難題，邵德盛等[15-16]、史節(jié)濤等[17]在分析預(yù)應(yīng)力全長錨索力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，對比分析端錨與全長錨各自優(yōu)勢，認(rèn)為預(yù)應(yīng)力全長錨固較端錨支護(hù)性能大幅提升，并在淮南礦區(qū)成功應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)與技術(shù)效果顯著。但前人對全錨優(yōu)勢的機(jī)理鮮有研究。筆者以中性點(diǎn)理論為基礎(chǔ)，分析預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索與圍巖相互作用機(jī)制，計(jì)算錨索受力特征、圍巖變形規(guī)律，分析預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索對圍巖徑向及切向變形的控制機(jī)理，并在晉城煤業(yè)集團(tuán)有限公司某礦33042巷9號(hào)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行工程應(yīng)用，驗(yàn)證其支護(hù)效果。

1 全長注漿錨索作用機(jī)理

1.1 錨索受力分析

巷道開挖后形成自由面，圍巖受力由三向變?yōu)閮上?，且初始?yīng)力得到釋放，圍巖發(fā)生明顯變形?，F(xiàn)場實(shí)測表明，巷道表面位移較圍巖深部大。巷道開挖后，及時(shí)采用錨索等方式進(jìn)行支護(hù)，由于錨固劑黏結(jié)作用，當(dāng)圍巖與錨索間產(chǎn)生相對位移時(shí)，二者之間同時(shí)由于摩擦作用而產(chǎn)生軸向力[18]?？拷锏辣砻鎳鷰r，由于圍巖變形大于錨索，錨固體表面剪應(yīng)力指向巷道自由面；在圍巖深部，圍巖變形小于錨索，因此錨固體剪應(yīng)力指向圍巖深處[19-21]，如圖1所示。

圖1 錨索受力及位移

由此，錨索與圍巖相互作用，錨固體界面剪應(yīng)力分為2部分，且方向相反，故而，在錨索中必然存在剪應(yīng)力為0的某一位置，該點(diǎn)稱為中性點(diǎn)，該點(diǎn)圍巖位移等于錨索位移。同時(shí)，由剪應(yīng)力而產(chǎn)生的錨固體軸向拉力必然沿錨桿長度方向呈曲線變化，且在中性點(diǎn)處軸向力最大。

1.2 全長注漿錨索對圍巖加固機(jī)理

巷道圍巖性質(zhì)、受力及其變形情況，支護(hù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)(支護(hù)密度、預(yù)應(yīng)力等)是錨索受力的重要影響因素。根據(jù)錨索-圍巖相互作用原理，建立全長注漿預(yù)應(yīng)力錨索力學(xué)模型，如圖2所示。

r0—巷道半徑；R—巷道彈塑性交界半徑；β—錨索中性點(diǎn)與巷道中心距離；l—錨索長度；r—巷道圍巖中任一點(diǎn)與巷道中心的距離；p—錨索預(yù)應(yīng)力；p0—圍巖壓力

1.2.1 巷道表面圍巖位移

以彈塑性力學(xué)為依據(jù)，錨索作用范圍內(nèi)，巷道圍巖依次處于彈性、彈塑性及塑性，隨巷道成形時(shí)間推移，圍巖位移不斷增加，塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，向深部擴(kuò)展?？紤]開挖后圍巖分別處于彈性、彈塑性及塑性3種狀態(tài)，分析巷道圍巖變形過程。

1)彈性狀態(tài)。錨固范圍內(nèi)圍巖處于彈性狀態(tài)幾乎只在開挖瞬間存在，對于堅(jiān)硬圍巖，巷道圍巖彈性狀態(tài)可以維持一段時(shí)間，據(jù)彈性力學(xué)，巷道表面位移s為

(1)

其中，彈性狀態(tài)下：

(2)

式中：E為巷道圍巖彈性模量；μ為巷道圍巖泊松比。

2)彈塑性狀態(tài)。隨巷道開挖時(shí)間推移，錨索作用范圍內(nèi)圍巖處于彈塑性狀態(tài)，此時(shí)，A0與彈性及塑性狀態(tài)有所不同。其中，圍巖彈性狀態(tài)下，A0的表達(dá)式為

(3)

式中，σR為彈塑性交界處徑向應(yīng)力。

(4)

(5)

塑性狀態(tài)下：

(6)

式中，C、φ分別為圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3)塑性狀態(tài)。隨巷道開挖時(shí)間推移，錨固范圍內(nèi)圍巖完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，圍巖表面位移為

(7)

1.2.2 圍巖徑向變形控制

當(dāng)采用端錨方式時(shí)，僅有錨固段與圍巖相接觸，自由端與孔壁并不接觸，圍巖變形過程中，弱面擴(kuò)張，自由段被拉伸。假設(shè)拉壓桿件服從胡克定律，桿件軸力P=E′SΔl/L，式中，Δl為桿件伸長量；L為約束桿件長度；S為桿件橫截面積；E′為桿件彈性模量。對于同一錨索，彈性模量，橫截面積為定值，即當(dāng)桿件伸長量Δl一定時(shí)，約束桿件長度L與軸向力P呈反比例函數(shù)。

對于全長錨固錨索而言，圍巖弱面擴(kuò)展而受到拉伸時(shí)，錨固劑破裂長度即為約束桿件長度，僅為幾十毫米[5]，而端錨則為自由段長度。由此可知，全長錨固在約束圍巖徑向變形方面表現(xiàn)優(yōu)于端錨。

1.2.3 圍巖切向變形控制

圍巖發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)時(shí)，端錨錨索不能及時(shí)發(fā)揮抑制作用，只有當(dāng)巖體發(fā)生較大錯(cuò)動(dòng)，錨索與圍巖接觸后，錨固構(gòu)件才能發(fā)揮作用，但此時(shí)圍巖喪失抗剪能力，端錨錨索的加固作用不能同步與圍巖自身承載，導(dǎo)致承載結(jié)構(gòu)各個(gè)擊破。全長注漿錨索與鉆孔之間空隙被漿液充滿，提高錨索對圍巖運(yùn)動(dòng)的敏感性，當(dāng)圍巖發(fā)生切向錯(cuò)動(dòng)時(shí)，圍巖的錯(cuò)動(dòng)趨勢會(huì)第一時(shí)間傳遞到錨索與錨固劑，錨索可及時(shí)發(fā)揮作用，有效抑制圍巖錯(cuò)動(dòng)，如圖3所示。由此可知，全長注漿錨索的抗剪能力為錨索與錨固劑抗剪強(qiáng)度之和，可顯著提高對圍巖切向錯(cuò)動(dòng)控制能力。

圖3 全長錨固錨索錨固機(jī)理

2 現(xiàn)場工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

晉城煤業(yè)集團(tuán)有限公司某礦主采3號(hào)煤層，煤層厚度大，平均4.7 m，3304工作面埋藏深度大，蓋山厚度578.0～720.0 m，礦山壓力大，煤層頂板巖性偏軟，巖層水平節(jié)理發(fā)育、垂直裂隙較多，呈現(xiàn)復(fù)合頂板的特性，穩(wěn)定性差，極易發(fā)生離層和水平錯(cuò)動(dòng)。

直接頂以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，厚度2.32 m，強(qiáng)度主要集中在26.4～35.2 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度較小，節(jié)理和裂隙發(fā)育，內(nèi)含軟弱夾層；之上為厚度0.95 m的細(xì)砂巖，層理比較發(fā)育，抗壓強(qiáng)度為73.2 MPa；再上為泥質(zhì)砂巖，厚度為1.33 m，堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度為58.8 MPa；再上為砂巖，厚度為2.8 m，堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度為71.5 MPa。

煤層直接底為黑色泥巖，厚度1.03 m，薄層狀，水平層理發(fā)育，具有水平層理，單軸抗壓強(qiáng)度為41.3 MPa；之下是細(xì)砂巖，厚度為0.99 m，中厚層狀，具有水平層理，單軸抗壓強(qiáng)度為66.1 MPa；再下面是泥砂互含層。

某礦復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)為若干層軟硬不均巖層交互組成，各巖層強(qiáng)度和剛度不等，分層之間黏聚力很小，弱面發(fā)育，在構(gòu)造應(yīng)力作用下極易發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而引起頂板離層、錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致頂板被剪斷，巷道支護(hù)較為困難。

從多次地應(yīng)力測試結(jié)果來看，最大水平主應(yīng)力σH為16.22 MPa，最小水平主應(yīng)力σh為8.51 MPa，垂直主應(yīng)力σV為13.2 MPa，屬σH>σV>σh型應(yīng)力場，對巷道頂?shù)装宓木S護(hù)具有不利影響。

該地段地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，巷道斷面大，遇地質(zhì)構(gòu)造或復(fù)合煤層頂板時(shí)，受構(gòu)造應(yīng)力影響，頂板破碎，剪切運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致大量錨索被剪斷，進(jìn)一步加劇了巷道的變形和不穩(wěn)定性。為此，提出采用全長預(yù)應(yīng)力注漿錨固錨索，實(shí)現(xiàn)錨索的全長錨固，提高錨索適應(yīng)圍巖剪切變形的能力，有效維護(hù)巷道的穩(wěn)定。

同時(shí)，復(fù)合頂板巖層為軟硬互層組成，各巖層的強(qiáng)度和剛度不同，極易發(fā)生裂隙擴(kuò)展、層間滑動(dòng)和離層等有害變形，且某礦復(fù)合頂板巖層具有遇風(fēng)、水易風(fēng)化的特點(diǎn)，為有效控制巷道復(fù)合頂板的變形破壞，將復(fù)合頂板組合成一個(gè)整體，封堵風(fēng)化裂隙，在采用全長注漿錨索支護(hù)之后，進(jìn)行頂板注漿處理。

為驗(yàn)證試驗(yàn)效果，在33042巷9號(hào)聯(lián)絡(luò)巷橫貫頂板支護(hù)采用全長預(yù)應(yīng)力支護(hù)注漿錨索，實(shí)現(xiàn)錨索全長錨固，增加錨索對圍巖水平剪切運(yùn)動(dòng)的敏感程度，提高錨索抗剪切能力。

2.2 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測方案

在33042巷9號(hào)聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)設(shè)置表面位移測站和錨索受力測站，測站間距為20 m，進(jìn)行2個(gè)階段的礦壓監(jiān)測，即未受采動(dòng)影響期間和回采期間的礦壓監(jiān)測。

1)表面位移測點(diǎn)布置方式。采用十字布點(diǎn)法安設(shè)巷道表面位移監(jiān)測斷面，測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測斷面布置

2)錨索受力監(jiān)測。錨索受力采用錨索測力壓力枕測量，量程為0～600 kN，測點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 巷道錨索測力計(jì)布置

2.3 礦壓監(jiān)測結(jié)果及分析

2.3.1 未受采動(dòng)影響期間礦壓監(jiān)測分析

1)未受采動(dòng)影響期間巷道表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖6、圖7所示。

圖6 第1測站巷道表面位移

圖7 第2測站巷道表面位移

上述礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，第1測站為普通錨索，第2測站為全長預(yù)應(yīng)力錨固錨索。兩測站巷道變形趨勢相同，均為巷道開挖初期變形劇烈，之后趨于平緩。第1測站，兩幫變形在第13天后趨于平緩，頂?shù)装逡平吭诘?天后趨于緩和。第2測站，兩幫移近在第11天趨于緩和，頂?shù)装逡平诘?天趨于緩和。從時(shí)間角度分析，全長注漿錨索的支護(hù)效果優(yōu)于普通錨索。

從礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，兩組測站兩幫變形相差不大，最大分別為75 mm和65 mm，左幫變形最大，為40 mm和33 mm，全長注漿錨索兩幫變形量比端錨錨索減少13.3%。當(dāng)采用普通錨索支護(hù)時(shí)，第1測站頂?shù)装遄冃瘟?0 mm，其中頂板下沉量8 mm，底鼓量占60%，采用全長錨固的第2測站頂?shù)装遄冃瘟?0 mm，頂板下沉量3 mm，底鼓量占70%，頂板下沉量和頂?shù)滓平烤淮?，頂?shù)装逡平亢晚敯逑鲁亮糠謩e減少50%和62.5%。但總體來看，未受采動(dòng)影響階段整個(gè)巷道的變形均在可控范圍之內(nèi)。

2)未受采動(dòng)影響時(shí)，各測站錨索受力監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖8 錨索受力監(jiān)測

從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，頂板錨索受力均在150 kN以上，其中最小為150 kN，最大為380 kN，錨索受力比較均勻，變動(dòng)不大，錨索工作狀態(tài)平穩(wěn)。未受采動(dòng)影響階段，井下觀測發(fā)現(xiàn)頂板錨索未出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，全長注漿錨索工作正常。

2.3.2 受采動(dòng)影響期間礦壓觀測分析

1)受采動(dòng)影響期間巷道表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖9、圖10所示。

圖9 受采動(dòng)影響期間第1測站巷道表面位移

圖10 受采動(dòng)影響期間第2測站巷道表面位移

從圖10中可以看出，受采動(dòng)影響后，巷道變形明顯增大，頂?shù)装遄冃芜_(dá)到208 mm，頂板下沉達(dá)到60 mm，其中以底鼓為主，底鼓量占71%；兩幫變形達(dá)到267 mm，左幫變形為132 mm，巷道變形以兩幫變形和底鼓為主，受到明顯的采動(dòng)應(yīng)力影響。采用全長錨固段的巷道頂?shù)装遄冃?64 mm，頂板下沉42 mm，分別比端錨錨索支護(hù)減小21.1%和30%；兩幫變形量為208 mm，左幫變形量為98 mm，分別比端錨錨索支護(hù)減小22.1%和25.8%。

2)采動(dòng)影響階段，錨索受力監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

圖11 采動(dòng)影響階段錨索受力監(jiān)測

采動(dòng)影響階段，錨索受力普遍增大，頂板錨索受力一般在180 kN以上，最大達(dá)到420 kN，且錨索受力比較平穩(wěn)，變動(dòng)不大，說明錨索工作狀態(tài)良好。受采動(dòng)影響期間，未發(fā)現(xiàn)錨索破斷現(xiàn)象，全長注漿錨索能夠很好地解決復(fù)合頂板巷道受剪切作用導(dǎo)致錨索破斷的問題。

3 結(jié) 論

1)基于中性點(diǎn)理論，得到錨索剪應(yīng)力分布狀態(tài)，在中性點(diǎn)處錨索與圍巖位移相等，錨索剪應(yīng)力為0，兩側(cè)剪應(yīng)力方向相反。同時(shí)，由剪應(yīng)力而產(chǎn)生的錨固體軸向拉力必然沿錨桿全長呈曲線變化，且在中性點(diǎn)處軸向力最大。

2)根據(jù)錨索圍巖相互作用機(jī)理，理論計(jì)算圍巖任一點(diǎn)在彈性、彈塑性及塑性狀態(tài)下巷道表面位移表達(dá)式?；谙锏辣砻嫖灰平馕鼋猓治鲱A(yù)應(yīng)力全長注漿錨索相較于端錨在圍巖徑向及切向變形控制方面的優(yōu)勢。

3)以晉城煤業(yè)集團(tuán)有限公司某礦33042巷9號(hào)聯(lián)絡(luò)巷為工程背景，分析未受采動(dòng)影響及采動(dòng)影響下預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索支護(hù)效果。監(jiān)測結(jié)果顯示，采用預(yù)應(yīng)力全長注漿錨索，在未受采動(dòng)影響下，頂?shù)装逡平勘榷隋^錨索減少50%；采動(dòng)影響下頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e比端錨錨索減少21.1%和22.1%。