基于多級錨固承載層的軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

李景濤, 段燕偉

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點實驗室, 哈爾濱 150022; 2.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

0 引 言

位于內(nèi)蒙古西部的紅慶梁煤礦廣泛分布著三疊紀(jì)、白堊紀(jì)、侏羅紀(jì)弱膠結(jié)軟巖[1-3]。該地區(qū)的軟巖具有強(qiáng)度低,易風(fēng)化等特點,在進(jìn)行開挖或者遇水后極易軟化、崩塌,巖質(zhì)快速劣化,致使巷道內(nèi)發(fā)生大冒頂、高片幫、嚴(yán)重底鼓等工程災(zāi)害的概率大大增加[4-5]。紅慶梁煤礦軟巖巷道采用傳統(tǒng)支護(hù)技術(shù),圍巖變形較大且較難控制。因此,急需提出新的支護(hù)技術(shù)用以解決該類工程問題。

針對上述問題,國內(nèi)學(xué)者開展了大量工作,提出了軟巖巷道的支護(hù)方法和手段。趙帥[6]通過分析現(xiàn)有巷道的破壞特征,結(jié)合地應(yīng)力分布特征和擾動尺度,明確了巷道底鼓類型,并針對關(guān)鍵部位進(jìn)行了支護(hù),現(xiàn)場效果良好。李明等[7]通過現(xiàn)場試監(jiān)測,總結(jié)了軟巖巷道的變形特征,利用數(shù)值模擬,分析了不同開挖方式的圍巖變形量和塑性區(qū)變化,建立了評價指標(biāo),由此探討了最佳支護(hù)方案。王金平等[8]針對復(fù)合軟巖頂板由于淋水造成的圍巖變形大的問題,提出了“梯度支護(hù)”理念,即頂板采用限位抗剪錨桿+防腐短錨索+長錨索,對于頂板下沉問題起到了良好的控制作用。魏世明等[9]通過對圍巖變形量的監(jiān)測和變形特征的分析,并利用數(shù)值模擬對比分析了原支護(hù)和高強(qiáng)錨注支護(hù)的圍巖控制效果,結(jié)果表明后者能在較短時間內(nèi)使巷道圍巖穩(wěn)定。

上述研究中支護(hù)技術(shù)雖取得了較好的現(xiàn)場效果,但是均為特定軟巖條件下的合理支護(hù),不具有普適性。因此,筆者針對紅慶梁軟巖巷道支護(hù)現(xiàn)狀,提出基于多級錨固承載層的軟巖巷道支護(hù)技術(shù),通過建立錨桿-圍巖力學(xué)模型,分析了支護(hù)參數(shù)對巷道圍巖應(yīng)力和變形的影響。最后,利用FLAC3D對比分析采用原支護(hù)方式和多級錨固層承載支護(hù)的圍巖穩(wěn)定性。研究結(jié)果對于優(yōu)化支護(hù)參數(shù)和豐富軟巖巷支護(hù)技術(shù)具有重要意義。

1 工程現(xiàn)狀

1.1 地質(zhì)概況

3-1煤結(jié)構(gòu)簡單,厚度為2.1～6.3 m,平均厚度4.28 m,煤層傾角0～6°,平均傾角3°。11307工作面走向長3 902 m,傾斜長270 m。11307回風(fēng)順槽沿11302采空區(qū)留設(shè)50 m煤柱,巷道有壓力顯現(xiàn)。工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

1.2 支護(hù)現(xiàn)狀及評價

11307膠運順槽采用錨桿、錨索支護(hù)。頂板選用規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm的錨桿,間排距分別為700 mm×1 000 mm。頂板選用規(guī)格為φ21.6 mm×7 300 mm的預(yù)應(yīng)力錨索,間排距為1 600 mm×1 000 mm。兩幫支護(hù)選用規(guī)格為φ22 mm×2 600 mm的錨桿,間排距分別為800 mm×1 000 mm。支護(hù)方案如圖1所示。采用原支護(hù)方案,巷道變形嚴(yán)重,工作面出現(xiàn)煤壁片冒、底鼓、幫鼓等現(xiàn)象,初步分析其原因為巷道圍巖分級控制不足,難以形成整體錨固承載結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致支護(hù)效果一般。

圖1 11307膠運順槽斷面支護(hù)Fig.1 Section support of 11307 rubber wheel transportation roadway

2 多級錨固承載層的構(gòu)建

2.1 構(gòu)建原則

傳統(tǒng)的支護(hù)形式較為單一,對于圍巖的分級控制不足,無法充分發(fā)揮各級支護(hù)效果,從而難以形成整體錨固承載結(jié)構(gòu),導(dǎo)致支護(hù)效果一般。因此,提出軟巖巷道多級錨固承載層的支護(hù)理念,即通過多級控制圍巖,形成多級錨固承載層,提高圍巖的整體承載力,其支護(hù)原則如下。

(1)構(gòu)建圍巖淺部錨固承載層。巷道圍巖淺部結(jié)構(gòu)通常較為松散,自承能力弱,難以形成承載結(jié)構(gòu)。通過注漿錨桿的支護(hù)形式,可以改良松垮的圍巖結(jié)構(gòu),從而提高圍巖的力學(xué)特性,進(jìn)而形成淺部錨固承載層。淺部錨固承載層至關(guān)重要,不僅可以提高淺部圍巖承載能力,還可以緩解深部圍巖變形。

(2)形成相互耦合多級錨固承載層。通過錨桿構(gòu)建中部錨固承載層,再利用錨索將這兩個錨固承載層懸吊起來,形成深部錨固承載層。多級錨固承載層之間相互耦合,形成一個整體錨固承載層。

(3)錨固承載層與圍巖的耦合作用。通過支護(hù)配件(鋼帶、鋼筋梯子梁等)將支護(hù)體從不同方向連接,形成一個整體支護(hù)體結(jié)構(gòu)。這種耦合作用極大地提高了圍巖自身的承能力,從而有利于圍巖穩(wěn)定。

2.2 多級錨固承載層特點

軟巖巷道多級錨固承載層的支護(hù)特點主要為:一級支護(hù)針對淺部圍巖破裂區(qū)域,采用注漿短錨桿進(jìn)行注漿,使松散的破裂區(qū)域形成整體,從而提高了淺部圍巖的承載能力,構(gòu)建了淺部錨固承載層。二級支護(hù)采用長錨桿支護(hù),端頭錨固,錨桿桿尾托盤之間利用鋼帶進(jìn)行橫向連接,形成新的錨固承載層。兩個錨固承載層之間的耦合,形成一個整體,進(jìn)一步提高了圍巖的整體性。三級支護(hù)利用長錨索將前兩級錨固承載層進(jìn)行懸吊,使前兩級錨固承載層穩(wěn)定在圍巖深部,實現(xiàn)了圍巖由淺及深的分級支護(hù)。另外,使用鋼帶將錨索進(jìn)行縱向連接,與橫向連接錨桿形成交錯疊加的鋼帶網(wǎng),共同組成三級錨固承載層。三級錨固承載層形成后,圍巖受力更均勻,使圍巖壓力可以沿不同方向進(jìn)行傳遞,從而有利于圍巖的整體穩(wěn)定。

3 巷道全錨-圍巖彈塑性分析

3.1 錨桿-圍巖耦合作用力學(xué)模型的建立

假設(shè)半徑為R0的巷道開挖后,圍巖結(jié)構(gòu)由淺及深可分為破裂區(qū)、塑性承載區(qū)和彈性區(qū)。破裂區(qū)巖體發(fā)生破壞,較為松散,巖體喪失了承載能力,是錨桿加固支護(hù)的重點區(qū)域;塑性承載區(qū)圍巖發(fā)生輕微破裂,但仍具有承載能力。彈性區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)完整,圍巖的力學(xué)性質(zhì)基本不受影響。錨桿支護(hù)下巷道圍巖力學(xué)模型,如圖2所示。其中,Rp和Rf分別為塑性承載區(qū)和破裂區(qū)的半徑,ρ為中性點到巷道中心點的距離,L1為錨桿端部與圍巖中心點的長度,L為錨桿長度,LT為錨桿間距。

圖2 錨桿支護(hù)下巷道圍巖力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of roadway surrounding rock under bolt support

3.2 錨桿-圍巖彈塑性分析

巷道開挖并待其穩(wěn)定后,在Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則下,圍巖應(yīng)滿足[10]:

式中:σc——塑性承載區(qū)屈服強(qiáng)度,MPa;

Np——塑性承載區(qū)摩擦角系數(shù);

Nf——破裂區(qū)摩擦角系數(shù);

φ——塑性承載區(qū)摩擦角,(°);

φr——破裂區(qū)內(nèi)摩擦角,(°);

c——塑性承載區(qū)內(nèi)聚力,MPa;

cr——破裂區(qū)內(nèi)聚力,MPa。

塑性承載區(qū)和破裂區(qū)總應(yīng)變可表示為

彈性區(qū)應(yīng)力與變形的公式可表示為

結(jié)合邊界條件(σre)r=Rp=(σrp)r=Rp,塑性承載區(qū)環(huán)向和徑向應(yīng)力可表示為

結(jié)合邊界條件(ue)r=Rp=(up)r=Rp,可得塑性承載區(qū)位移及應(yīng)變表達(dá)式為

當(dāng)L1=Rf時,破裂區(qū)圍巖可認(rèn)為只存在支護(hù)區(qū),以此建立的錨桿-圍巖耦合作用下單元體力學(xué)模型,如圖3所示。

圖3 錨桿-圍巖耦合作用下單元體力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of microelement under coupling action of bolt-surrounding rock

由圖3可知,錨桿加固破裂區(qū)應(yīng)滿足:

式中,δ——錨桿支護(hù)的密度參數(shù),一般取值在0.05～0.3之間[10]。

式中:β——中性點位置;

rb——錨桿半徑,m;

ξ——摩擦因子,與錨桿和圍巖間的摩擦角有關(guān)。

結(jié)合邊界條件(σrf1)r=Rp=pin,pin為巷道支護(hù)壓力,則破裂區(qū)R0

結(jié)合邊界條件(σrf2)r=ρ=σRf1,即得破裂區(qū)β

假定破裂區(qū)為塑性變形,結(jié)合邊界條件(uP)r=Rf=(uf)r=Rf,可得破裂區(qū)位移為

由上述公式可知,隨著錨桿間排距的逐漸增加,圍巖塑性承載區(qū)、破裂區(qū)的范圍與表面位移均呈增加速率減小的非線性增加。另外,對于圍巖變形,支護(hù)阻力與間排距呈負(fù)相關(guān),即支護(hù)阻力越大,間排距的影響作用越小。因此,可以從提高支護(hù)阻力和優(yōu)化錨桿間排距兩個方面優(yōu)化巷道支護(hù)。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型的建立與模擬方案

根據(jù)紅慶梁煤礦地質(zhì)資料和相關(guān)作業(yè)規(guī)程,利用FLAC3D建立11307膠運順槽數(shù)值模型。模型尺寸為40 m×30 m×45 m,巷道斷面為矩形(帶窩角),寬6 000 mm,高3 950 mm,窩角半徑為1 000 mm,數(shù)值模型如圖4所示。模型共有70 500個單元體和77 283個節(jié)點。

圖4 數(shù)值模型Fig.4 Numerical model

模型采用摩爾-庫倫力學(xué)模型,模型四周和底部進(jìn)行位移約束,頂部施加等效載荷。各巖層力學(xué)參數(shù)如表2 所示。其中,K為體積模量,G為剪切模量,c為內(nèi)聚力,φ為內(nèi)摩擦角,σt為抗拉強(qiáng)度,ρ為密度。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)

模擬方案分為原支護(hù)方案和采用多級錨固承載層支護(hù)方案,多級錨固承載層支護(hù)方案如圖5所示。模擬中錨桿和錨索通過cable構(gòu)件實現(xiàn)。

圖5 多級錨固承載層支護(hù)方案Fig.5 Multi-stage anchorage bearing support scheme

4.2 結(jié)果分析

對比分析兩種方案巷道圍巖塑性區(qū)域和變形量,如圖6～8所示。

圖6 方案優(yōu)化前后垂直位移分布云圖Fig.6 Vertical displacement distribution nephogram before and after scheme optimization

由圖6可知,原支護(hù)方案下頂板垂直位移為最大值為22.9 mm,底板垂直位移最大值為7.4 mm;采用多級錨固承載層支護(hù)方案后,頂板垂直位移最大值為13.3 mm,底板垂直位移為最大值為7.2 mm。通過對比兩者的垂直位移云圖,采用多級錨固承載層支護(hù)方案后,頂板垂直位移整體變小。

由圖7可知, 采用多級錨固承載層支護(hù)方案后,兩幫水平位移明顯下降,由原支護(hù)方案的15.4 mm下降為8.1 mm。這說明采用多級錨固承載層支護(hù)方案后,兩幫位移得到了控制。

圖7 方案優(yōu)化前后水平位移分布云圖Fig.7 Horizontal displacement distribution nephogram before and after scheme optimization

由圖8可知,采用多級錨固承載層支護(hù)方案后塑性區(qū)域明顯縮減,主要體現(xiàn)在底角位置,頂板和兩幫略有縮減,這說明采用多級承載層支護(hù)方案后圍巖整體穩(wěn)定性提高,圍巖變形得到了有效控制。

圖8 優(yōu)化前后巷道圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.8 Plastic zone of roadway surrounding rock before and after optimization

綜上所述,采用多級錨固承載層支護(hù)方案后,頂板和兩幫的位移明顯減小,塑性區(qū)域明顯縮減,圍巖整體穩(wěn)定性增高,支護(hù)效果良好。

5 結(jié) 論

(1)提出基于多級錨固承載層的軟巖巷道支護(hù)技術(shù),并闡明其構(gòu)建原則和特點。其具體支護(hù)特點為:一級支護(hù)采用注漿短錨桿改善淺部圍巖;二級支護(hù)采用長錨桿,進(jìn)行橫向連接;三級支護(hù)采用長錨索將前兩級錨固承載層進(jìn)行懸吊,并進(jìn)行縱向連接。

(2)建立了錨桿-圍力學(xué)模型,推導(dǎo)了圍巖分區(qū)的應(yīng)力及變形表達(dá)式,由公式可知,隨著錨桿的間排距變大,圍巖塑性承載區(qū)、破裂區(qū)的范圍與表面位移均呈增加速率減小的非線性增加。

(3)利用FLAC3D對比分析可知,采用多級錨固承載層支護(hù)方案后,頂板垂直位移明顯下降,最大值由22.9 mm降為13.3 mm,兩幫水平位移由15.4 mm下降為8.1 mm,塑性區(qū)域也明顯縮減,圍巖整體穩(wěn)定性增高,支護(hù)效果良好。