基于支護預應力場的松軟圍巖錨桿支護護表構(gòu)件優(yōu)選

周逸群，林 健，任 碩，吳建星，王正勝

(1.煤炭科學研究總院 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； 3.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

錨桿配合護表構(gòu)件支護是當前煤礦掘進巷道最主要的主動支護形式，是控制巷道圍巖變形的最優(yōu)手段[1-2]。若主動支護達不到效果，則易出現(xiàn)片幫、冒頂、底鼓等巷道局部失穩(wěn)、破壞現(xiàn)象[3-4]。為了精細化提升錨桿支護效果，以康紅普院士為代表的學者們提出支護應力場的概念[5-7]。支護應力場是指支護在圍巖中的應力場與支護體內(nèi)部產(chǎn)生的應力場。針對錨桿支護，在施加預緊力后，由預緊力作用于圍巖而產(chǎn)生的應力場稱為支護預應力場。研究支護預應力場是弄清圍巖體與錨桿相互作用的基礎，而預應力作為錨桿主動支護最核心的參數(shù)，其能否在圍巖中有效擴散是衡量錨桿主動支護成敗的關鍵。對此，學者們做了大量工作?？导t普等[8-9]利用FLAC3D軟件，得出錨桿支護過程各參數(shù)對支護預應力場分布擴散的影響；李懷珍等[10]對不同邊界約束下錨桿段承載特性進行了研究，建立了煤幫錨固單元體、錨固圍巖受力和錨桿受力力學模型；馬國軍等[11-13]利用數(shù)值模擬方式對錨桿單元進行了研究，得出了巷道支護應力場的巷道尺度狀態(tài)；徐付軍[14]等模擬了固定預應力下錨桿長度與主動支護之間的關系，并通過支護預應力場的分布提出錨桿支護密度、角度的合理布置方式；劉超儒[15]通過viscoelastic蠕變模型，探究了時間對支護應力場的影響；林健等學者[16-17]利用相似模試驗建立了支護預應力場模型，對單類巖層錨桿預應力的分布形態(tài)進行了系統(tǒng)研究；王洪濤等[18]等采用利用彈性力學空間問題中集中力作用于地基內(nèi)部的R.Mindlin應力解得出了錨桿支護預應力場的分布規(guī)律。上述學者以理論和模擬的方式有力促進了支護預應力場指導現(xiàn)場實踐，但應力場分布規(guī)律多以巷道尺度展現(xiàn)，或以小比例相似模擬進行測試，缺少對預應力場的精細劃分和研究。本文以石窟煤業(yè)3號煤層松軟圍巖巷道為工程背景，通過實驗室仿真試驗探究不同錨桿支護構(gòu)件在支護圍巖中預應力場的分布異同，通過細致對比預應力場分布差異實現(xiàn)松軟破碎圍巖條件下錨桿支護護表構(gòu)件優(yōu)選，指導現(xiàn)場實踐。

1 石窟煤業(yè)地質(zhì)力學條件

石窟煤業(yè)3號煤層巷道沿煤層底板掘進，因周邊存在部分老舊空巷，在過空巷掘進時常出現(xiàn)巷幫圍巖裂隙發(fā)育、松軟破碎等問題，導致部分錨桿支護預緊力達不到要求，甚至部分區(qū)域巷幫出現(xiàn)了較大變形，影響礦方正常生產(chǎn)。通過在巷道周邊進行全面地質(zhì)力學測試，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 圍巖強度及結(jié)構(gòu)窺視Fig.1 Strength test and structure observation of surrounding rock

(1)測點最大水平主應力值為15.68 MPa，最小水平主應力值為8.06 MPa，垂直應力值為7.14 MPa，地應力場在量值上屬于中等應力值區(qū)域。最大水平主應力方向N37.6°E，與掘進巷道一致性較好。

(2)通過圍巖強度及結(jié)構(gòu)窺視，測點頂板以上0～3.2 m為3號頂煤，強度平均值為16.86 MPa，部分區(qū)域松軟破碎。如圖1(c)所示，頂板0～1.6、2.4～2.7 m時，煤體明顯出現(xiàn)裂隙發(fā)育及破碎現(xiàn)象；頂板3.3～4.8 m為泥巖，強度平均值為40.30 MPa；頂板4.8～10.0 m為細砂巖，強度平均值為68.56 MPa；幫孔煤體強度為12～16 MPa。

綜合以上情況，結(jié)合現(xiàn)場支護調(diào)研分析，石窟煤業(yè)3號煤層巷道托頂煤且因周邊空巷影響導致圍巖淺部松軟破碎，目前巷道錨桿采用鋼筋托梁作為護表構(gòu)件，現(xiàn)場部分鋼筋托梁已壓入松軟圍巖當中，導致存在錨桿預緊扭矩隨時間逐漸下降的情況，同時預應力在圍巖中擴散較差，這是巷道出現(xiàn)較大變形的主要原因。所以，必須針對松軟圍巖，采取有效措施，使錨桿預應力擴散效果得到提升，從而達到有效控制圍巖的目的。

2 支護預應力場仿真試驗

2.1 仿真試驗臺搭建

為了細致探究更有利于錨桿支護預應力場擴散的護表構(gòu)件，設計了1∶1比例的錨桿支護預應力場仿真試驗臺，試驗臺尺寸為3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm的長方體，為更好契合井下松軟圍巖條件，通過前期配比試驗，確定選取32.5號水泥，在水灰比0.81，灰砂比0.25的情況下制成水泥砂漿作為相似材料。相似材料應力—應變曲線如圖2所示。

圖2 相似材料應力—應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of similar materials

如圖2所示，將制作好的砂漿試塊在室內(nèi)條件下養(yǎng)護28 d后進行抗壓強度與彈性模量力學測試。其抗壓強度16.45 MPa，彈性模量為3.27 GPa，較好的契合了現(xiàn)場錨桿支護范圍內(nèi)的圍巖力學參數(shù)。

通過ZHC-35載荷傳感器與YJZA-16智能靜態(tài)電阻應變儀建立了預應力采集系統(tǒng)，通過在模型中預埋XYJ-2型混凝土應變傳感器用于監(jiān)測錨桿預緊狀態(tài)下圍巖的受力數(shù)值。傳感器布置方式如圖3所示，結(jié)合對稱性，利用Surfer繪圖軟件可以得出錨桿支護預應力場的分布規(guī)律。

圖3 錨桿支護預應力場仿真試驗臺Fig.3 Prestress field simulation test bed of bolt support

2.2 不同支護構(gòu)件預應力場測試

100 kN預緊力下(錨桿長度2 400 mm，錨固長度445.1 mm)鋼筋托梁和W鋼護板作用下錨桿支護預應力場三維云圖沿水平方向切片如圖4所示，可以看出沿錨桿桿體軸線方向錨桿預應力場的整體規(guī)律：在錨固段(錨桿通過錨固劑與圍巖粘結(jié)在一起)形成1個拉應力集中區(qū)域，在自由段(錨桿與圍巖未通過錨固劑粘結(jié))的兩端各形成了1個壓應力集中區(qū)域，即由錨桿上部向下部組成了“拉—壓—壓”的應力集中區(qū)分布格局。

對圖4中各個區(qū)域應力峰值和范圍進行測量，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，不同支護構(gòu)件作用的預應力場影響主要在于淺部托盤作用區(qū)域，在錨固段范圍及自由段的上部支護預應力場分布規(guī)律基本一致，其峰值和分布范圍未出現(xiàn)明顯差別；在2根錨桿1 m間距同時作用下，二者圍巖表面的應力峰值分別為0.8、0.6 MPa；鋼筋托梁的圍巖表面應力峰值高處W鋼護板33.34%。

針對圍巖內(nèi)部應力分析，二者在自由段范圍整體區(qū)域0.15 MPa壓應力區(qū)面積分別為0.336 m2和0.476 m2，W鋼護板壓力范圍高出鋼筋托梁41.67%；自由段中部0.1 MPa壓應力區(qū)均沿錨桿自由段貫通，中部寬度分別為204、705 mm；自由段中部0.05MPa區(qū)域?qū)挾确謩e為835、2 100 mm，W鋼護板對自由段中部的控制范圍明顯高于鋼筋托梁。二者在自由段范圍整體區(qū)域0.05 MPa壓應力區(qū)域面積分別為3.38、3.95 m2，W鋼護板壓力范圍高出鋼筋托梁21.69%。綜上所述，對于托盤作用范圍的淺部圍巖，鋼筋托梁施加預緊力的方式為通過托盤擠壓2根14 mm鋼筋，由鋼筋與圍巖接觸，因其護表面積很小，導致其在托盤中心位置出現(xiàn)較高的應力集中。產(chǎn)生的峰值高，但應力擴散效果和整體壓應力的分布較差，而W鋼護板作為大護表構(gòu)件，表面應力分布更為平均，且應力擴散效果和整體壓應力的分布范圍明顯優(yōu)于鋼筋托梁。以之前相關研究學者[17]慣用的0.05 MPa定義為錨桿支護的有效壓應力，則在W鋼護板作用下，基本實現(xiàn)了有效壓應力在圍巖淺層的全部覆蓋。

圖4 錨桿支護預應力場分布云圖Fig.4 Cloud diagram of prestressed field distribution of bolt supporting

表1 鋼筋托梁與W鋼護板錨桿預應力場情況比對分析Tab.1 Comparison and analysis of prestressed field of joist and W steel plate anchor

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

針對石窟煤業(yè)松軟圍巖錨桿支護巷道，在將支護構(gòu)件由鋼筋托梁變更為W鋼護板后，通過安裝了頂板、幫部錨桿測力計，用于錨桿受力狀態(tài)的監(jiān)測，得到錨桿工作阻力隨著距離改變的變化情況。通過對測站錨桿應力監(jiān)測可以得出，錨桿預緊力在34～82 kN，錨桿預緊力達到屈服強度的32%～78%，成功實現(xiàn)了GB/T 35056—2018推薦的錨桿屈服力30%～60%的高預應力支護范圍，做到對圍巖的主動支護，同時錨桿受力穩(wěn)定，所有錨桿在服務期間均未超過其受力極限，支護系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。

通過設立2個位移觀測測點得到巷道移近量與時間的關系如圖5所示。

其中1號測點頂?shù)装遄畲笠平窟_125 mm，兩幫最大移近量為146 mm；2號測點頂?shù)装遄畲笠平繛?69 mm，兩幫最大移近量為141 mm；相通過安裝頂板離層儀，得出頂板淺部離層最大值為9 mm，深部離層最大值為11 mm，總離層值為20 mm?？傮w，采用新護表構(gòu)件后，實現(xiàn)了巷道圍巖的有效控制，滿足了礦方使用要求。

圖5 巷道圍巖觀測結(jié)果Fig.5 Observation results of roadway surrounding rock

4 結(jié)論

(1)通過全面地質(zhì)力學測試，石窟煤業(yè)掘進巷道變形的主要原因是由于在松軟破碎圍巖環(huán)境中錨桿配合鋼筋托梁不能有效擴散預應力，對錨桿及其護表構(gòu)件發(fā)揮主動支護作用起到了一定阻礙。

(2)根據(jù)仿真試驗結(jié)論，在錨桿長度2 400 mm、錨固長度445.1 mm、預緊力100 kN時，不同護表構(gòu)件在1 400～3 000 mm(錨固段及上方、自由段上部)支護預應力場分布規(guī)律一致。不同支護構(gòu)件作用下預應力場影響主要在于淺部托盤作用區(qū)域。

(3)在試驗條件下，W鋼護板作為大護表構(gòu)件，產(chǎn)生的表面壓應力峰值較鋼筋托梁降低25%，0.15、0.05 MPa壓應力區(qū)域面積較鋼筋托梁分別增加41.67%、21.69%。應力擴散效果和整體壓應力的分布范圍明顯優(yōu)于鋼筋托梁，基本實現(xiàn)有效壓應力在圍巖淺層的全部覆蓋。

(4)通過礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，測點頂?shù)装遄畲笠平窟_125 mm，兩幫最大移近量為146 mm，頂板淺部離層最大值為9 mm，深部離層最大值為11 mm，總離層值為20 mm，巷道相比原變形量得到大幅改進，滿足礦方正常使用要求，說明通過變更構(gòu)件，在松軟圍巖中有效發(fā)揮了錨桿主動支護效果，較好實現(xiàn)了松軟圍巖錨桿支護護表構(gòu)件優(yōu)選目的。