擊振條件下圍巖松動圈試驗(yàn)研究

樊海云 陳清運(yùn) 盧駿 曾順洪 徐正碧

摘要：為精確掌握巷道圍巖松動圈的范圍，合理優(yōu)化巷道錨桿支護(hù)參數(shù)，通過自研測力錨桿對巷道圍巖松動圈進(jìn)行測試，得到巷道圍巖各部位松動圈變化范圍為：頂部、緊鄰頂部、起拱部位及直墻部位巷道松動圈厚度均值分別為1 070 mm、985 mm、997 mm及970 mm；巷道平均圍巖松動圈為1 016 mm，屬于中等圍巖松動圈?；跀?shù)值模擬軟件Flac3D對試驗(yàn)所得松動圈值進(jìn)行驗(yàn)證，二者所得結(jié)果接近，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：巷道支護(hù)；擊振；測力錨桿；圍巖松動圈；Flac3D軟件

中圖分類號：TD322文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）06-0019-05doi：10.11792/hj20230605

引 言

隨著地下礦山開采強(qiáng)度和深度增加，巷道圍巖地壓顯現(xiàn)加劇，片幫、冒頂、巖爆等時有發(fā)生，威脅到礦山的安全生產(chǎn)，選擇安全、經(jīng)濟(jì)的巷道支護(hù)形式，確定合理的支護(hù)參數(shù)是維護(hù)巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵。巷道圍巖松動圈的大小是決定錨桿支護(hù)參數(shù)的重要基礎(chǔ)，松動圈測試結(jié)果可作為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算理論選擇的依據(jù)［1］，可用來反演巷道圍巖力學(xué)參數(shù)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)［2］，確定巷道噴錨網(wǎng)支護(hù)錨桿合理長度等參數(shù)［3］，評價處于服務(wù)期巷道的安全性系數(shù)等。董方庭等［4］根據(jù)圍巖碎裂帶的深度對松動圈進(jìn)行了分類，率先提出松動圈理論。此后不少科研工作者和現(xiàn)場工程技術(shù)人員對松動圈進(jìn)行了大量的測試分析：王樺等［5］基于高密度電阻率法對圍巖松動圈進(jìn)行測試，確定了巷道圍巖松動圈大小，為巷道支護(hù)提供理論依據(jù)。吳濤等［6］采用單孔聲波法測試巷道圍巖松動圈范圍，確定了松動圈厚度和巷道錨桿支護(hù)參數(shù)，提高了錨固區(qū)的破碎圍巖殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度，增強(qiáng)圍巖整體承載能力。陳秋紅等［7］基于多基點(diǎn)位移計(jì)法對鉆孔內(nèi)部破碎圍巖程度進(jìn)行分析，確定了松動圈范圍。張子飛等［8］基于鉆孔成像技術(shù)對巷道內(nèi)不同鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得到了松動圈范圍，并提出相應(yīng)的解決手段。沈春儒［9］采用地質(zhì)雷達(dá)和超聲波雙重測試技術(shù)對巷道圍巖松動圈進(jìn)行測試和分類，確定了合理的噴錨支護(hù)參數(shù)。

目前，松動圈測試多基于聲波法、位移計(jì)法、鉆孔成像、地質(zhì)雷達(dá)等相關(guān)技術(shù)，但受圍巖破碎程度、成本、成孔難易程度、巖體電性差異等因素制約，不能普遍推廣使用。因此，基于擊振條件下，通過自制測力錨桿對巷道圍巖松動圈進(jìn)行測試，得到巷道圍巖松動圈的范圍，并通過數(shù)值模擬軟件Flac3D得到開挖情況下巷道圍巖松動圈范圍，對試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程背景

某礦山礦區(qū)主要巖體有角頁巖、大理巖、巖漿巖、矽卡巖及部分石英閃長巖、閃長玢巖等。閃長巖、大理巖致密堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，屬穩(wěn)固性好的巖石；變余砂巖、角巖結(jié)構(gòu)致密、節(jié)理發(fā)育，屬中等穩(wěn)固性巖石；矽卡巖軟硬不均，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬穩(wěn)固性差的巖石［10］。測試巷道選擇該礦山西部-425 m水平聯(lián)絡(luò)巷道與35#采礦進(jìn)路交叉口處，巷道主要圍巖為閃長巖，巷道斷面為三心拱形，高、寬分別為3 400 mm和3 600 mm，共選擇3個剖面，錨桿安裝在巷道頂部、緊鄰頂部、起拱部位和直墻部位，巷道錨桿支護(hù)參數(shù)及布置如圖1所示。

2 巷道圍巖松動圈試驗(yàn)研究

2.1 測試目的及原理

2.1.1 測試目的

通過粘貼在錨桿上的應(yīng)變片測試錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)中錨桿沿軸向的受力變形狀態(tài)，間接地反映圍巖松動圈的大小，為錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)中錨桿設(shè)計(jì)長度指標(biāo)提供基礎(chǔ)依據(jù)，其測試方式就是利用測力錨桿部分替換現(xiàn)有的支護(hù)錨桿實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 測試原理

錨噴網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)中，錨桿通過注漿體與圍巖黏結(jié)形成錨固體。在井下巷道鉆孔施工過程中，圍巖的變形通過注漿體傳遞到錨桿上，粘貼在錨桿上的高精度應(yīng)變片會適時地捕捉圍巖變形情況，通過應(yīng)變儀可以測試其數(shù)值的大小。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以確定圍巖的松動圈厚度。

2.2 測力錨桿制作及安裝

2.2.1 測力錨桿制作

1）錨桿直徑18 mm、長2.4 m，將一端彎曲為直鉤，桿長2.0 m；從距錨桿軸線脊柱底端150 mm處開始打磨成1個寬7 mm、長1 500 mm的平面。

2）將錨桿進(jìn)行二次砂平、清洗，錨桿上安裝4個應(yīng)變片，其間距為450 mm。

3）加長應(yīng)變片導(dǎo)線并在導(dǎo)線尾部標(biāo)記每個應(yīng)變片的位置，完成后放至室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。制作完成后的測力錨桿如圖2所示。

2.2.2 測力錨桿安裝

井下巷道斷面為三心拱斷面，其寬、高分別為3.6 m和3.4 m。測力錨桿安裝在西區(qū)-425 m水平35#采準(zhǔn)巷道頂部、緊鄰頂部、起拱及直墻部位，錨桿安裝如圖3所示。

2.3 測 試

激震源選擇、安裝和測試過程：選用ZW-3混凝土平板震動器作為激震源，頻率50 Hz，激震力3 000 N，電動機(jī)功率0.5 kW，額定電壓220 V。在安裝有測力錨桿的巷道墻腳處，刨開巷道底板浮石至基巖，澆灌C30混凝土找平，厚度90 mm，養(yǎng)護(hù)16 d。測試過程中開動ZW-3震動器，每隔5 min讀一次測力錨桿應(yīng)變值，連續(xù)測4 h，直至測力錨桿應(yīng)變片讀數(shù)趨于穩(wěn)定為止。

試驗(yàn)測試儀器：DH3818Y靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，配合各種橋式傳感器，可實(shí)現(xiàn)力、荷重、位移等物理量的測量。此次測試系統(tǒng)簡單、易行，應(yīng)變儀搭配溫度補(bǔ)償器和供電裝置便可實(shí)現(xiàn)對錨桿變形量的采集。整個測試系統(tǒng)如圖4所示。

2.4 測試結(jié)果及分析

試驗(yàn)共9根錨桿，對每根測力錨桿共進(jìn)行24次采樣，得到錨桿在相關(guān)部位的軸向應(yīng)變值。選取第24次采樣次序繪制測力錨桿受力沿軸向變形曲線，依據(jù)巖體的抗拉變形確定懸吊分界線。測力錨桿受力沿軸向方向的變形曲線如圖5所示。由圖5可知：測力錨桿沿軸向變形曲線大致呈“S”形變化，從錨桿端部至一定位置處錨桿受拉，此位置后半部分受壓，理論上錨桿受力沿軸向變形曲線與0軸的交點(diǎn)即為巷道圍巖松動圈的范圍，但巖體存在抗拉變形能力，根據(jù)巖體的抗拉壓變形關(guān)系，確定懸吊分界線，故測力錨桿軸向變形曲線與懸吊分界線的交點(diǎn)即為巷道圍巖松動圈的厚度。

對測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到巷道各部位圍巖松動圈的范圍，如表1所示。由表1可知：頂部測力錨桿、緊鄰頂部測力錨桿、起拱部位測力錨桿及直墻部位測力錨桿松動圈厚度均值分別為1 070 mm、985 mm、997 mm及970 mm，錨桿錨固長度均值分別為730 mm、815 mm、803 mm及830 mm（錨桿桿長為2 000 mm，但實(shí)際錨入巖體中錨桿長度為1 800 mm），各部位測力錨桿所測松動圈厚度均值即為巷道各部位圍巖松動圈范圍。巷道圍巖平均松動圈厚度為1 016 mm，根據(jù)董方庭教授對松動圈范圍大小的定義，屬于中等松動圈；此外，頂部巷道圍巖松動圈最大，平均達(dá)到1 070 mm；直墻部位巷道圍巖松動圈最小，平均為970 mm。隨著巷道埋深的增加，垂直壓力增大及回采爆破振動的影響，松動圈厚度將會逐漸增大，錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)時需適當(dāng)增加錨桿長度，以滿足巷道圍巖蠕變的需要，保證巷道長期服務(wù)的安全性。

巷道開挖后，巷道圍巖變形依次經(jīng)歷松動區(qū)、承載區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。當(dāng)松動圈厚度小于承載區(qū)厚度（即錨桿長度支護(hù)范圍）時，錨桿中性點(diǎn)的位置就在圍巖松動圈界面上，由全長黏結(jié)錨桿中性點(diǎn)理論［11］可知，在中性點(diǎn)處錨桿受力具有錨桿軸力最大、界面剪應(yīng)力為0的特征。由表1可知，巷道圍巖松動圈范圍屬于中等松動圈，松動圈范圍遠(yuǎn)小于巷道承載區(qū)厚度。因此，巷道各部位錨桿中性點(diǎn)位置位于巷道松動圈界面上。

3 數(shù)值分析

3.1 模型與參數(shù)

該礦山西部-425 m水平聯(lián)絡(luò)巷道與35#采礦進(jìn)路圍巖主要為石英閃長巖，巷道支護(hù)主要采用噴錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿長度2 000 mm，錨桿布置參數(shù)如圖1所示。數(shù)值模擬軟件Flac3D為Itasca公司推出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析的有限差分軟件，在工程領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。運(yùn)用其建立如圖6所示的三維計(jì)算模型。模型x、y方向分別采取位移固定，模型底部采用位移約束，頂部為自由面且施加上覆巖層自重應(yīng)力，垂直應(yīng)力為17.4 MPa，水平應(yīng)力為自重應(yīng)力的1～2倍，圍巖采用Mohr-Coulomb（摩爾-庫侖）模型進(jìn)行模擬。模型長×寬×高為20 m×10 m×20 m。模型共劃分22 596個節(jié)點(diǎn)，21 200個單元。圍巖、錨桿、噴射混凝土相關(guān)參數(shù)如表2所示。

3.2 結(jié)果及分析

巷道開挖情況下，對巷道直墻部位錨桿、起拱部位錨桿、緊鄰頂部錨桿、頂部錨桿（如圖6-b）所示的1，2，3，4）進(jìn)行錨桿受力狀態(tài)分析。得到錨桿軸力及剪應(yīng)力沿錨桿長度分布曲線如圖7、圖8所示。由圖7可知：錨桿軸力沿錨桿長度方向變化趨勢相同，沿著錨固長度方向，錨桿軸力先在錨桿孔口從0逐漸增大至最大值，隨后再逐漸減小，最后降至0。直墻部位錨桿所受軸力最大，在錨桿950 mm處；緊鄰頂部錨桿和頂部錨桿軸力大小相近，只是在錨桿體上所處的位置不一樣，頂拱部位錨桿發(fā)生在1 050 mm處，緊鄰頂拱部位錨桿在980 mm處；起拱部位錨桿所受軸力最小，在接近970 mm處。

由圖8可知：錨桿界面剪應(yīng)力在錨頭處達(dá)到負(fù)向最大值，遠(yuǎn)離洞壁，剪應(yīng)力迅速衰減至0。隨后逐漸增大至正的最大值，最后再緩慢地減小；4個部位錨桿界面剪應(yīng)力表現(xiàn)出相同的變化特征。直墻部位錨桿在洞壁處所受剪應(yīng)力最大，在950 mm處減小為0；頂部錨桿在洞壁處所受剪應(yīng)力最小，沿錨桿長度方向在1 050 mm處減小為0。起拱部位和緊鄰頂部錨桿在洞壁處所受剪應(yīng)力介于二者之間，分別在970 mm和980 mm處減小為0。結(jié)合圖7和圖8來看，各部位錨桿界面剪應(yīng)力為0的地方正是各部位錨桿軸力最大處，錨桿受力符合中性點(diǎn)理論，中性點(diǎn)位置與現(xiàn)場實(shí)測圍巖松動圈厚度接近，驗(yàn)證了現(xiàn)場實(shí)測圍巖松動圈范圍的準(zhǔn)確性，為今后錨桿支護(hù)長度參數(shù)選取提供理論支撐。

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法對擊振條件下巷道圍巖松動圈范圍進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1）基于測力錨桿對礦區(qū)巷道圍巖松動圈進(jìn)行測試，得到巷道圍巖各部位松動圈變化范圍為：頂部、緊鄰頂部、起拱部位及直墻部位巷道松動圈厚度均值分別為1 070 mm、985 mm、997 mm及970 mm；巷道平均圍巖松動圈厚度為1 016 mm，屬于中等松動圈。

2）通過數(shù)值模擬研究，得到頂部錨桿、緊鄰頂部錨桿、起拱部位錨桿和直墻部位錨桿分別在1 050 mm、980 mm、970 mm、950 mm處軸力最大，剪應(yīng)力最小。直墻部位錨桿受力在洞壁處所受剪應(yīng)力最大，在950 mm處減小為0；頂拱部位錨桿在洞壁處所受剪應(yīng)力最小，沿錨桿長度方向在1 050 mm處減小為0。起拱部位和緊鄰頂部錨桿在洞壁處所受剪應(yīng)力介于二者之間，分別在970 mm和980 mm處減小為0。錨桿受力符合中性點(diǎn)理論，中性點(diǎn)位置與現(xiàn)場實(shí)測圍巖松動圈厚度接近，驗(yàn)證了現(xiàn)場實(shí)測圍巖松動圈范圍的準(zhǔn)確性。

3）進(jìn)一步揭示了圍巖中錨桿受力機(jī)理。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Abstract：In order to accurately grasp the range of loose circles of roadway surrounding rock and reasonably optimize the parameters of roadway bolt support，the loose circle of roadway surrounding rock was tested by self-developed force-measuring bolt，and the change range of loose circle of roadway surrounding rock was obtained as follows：the average thickness of loose circles of roadways at the top，adjacent to the top，at the bulging and straight wall was 1 070 mm，985 mm，997 mm and 970 mm respectively;the average loose circle of roadway surrounding rock is 1 016 mm，which belongs to a medium loose circle of the surrounding rock.Based on the numerical simulation software Flac3D，the values of the loose circle obtained from the test are verified，and the results are close to each other，which verifies the accuracy of the test results.

Keywords：roadway support;shock vibration;force-measuring bolt;loose circle of surrounding rock;Flac3Dsoftware