近距離下煤層中空注漿錨索注漿前后周邊剪應(yīng)力作用機理

吳曉宇，周 豪，吳曉偉

(1.山西大同大學(xué)，山西 大同 037009；2.晉能控股煤業(yè)集團 永定莊煤業(yè)有限責任公司，山西 大同 037000)

中空注漿錨索技術(shù)作為一種有效的地質(zhì)體加固和支護手段，被廣泛應(yīng)用于煤礦巷道支護領(lǐng)域。該技術(shù)通過再改變注漿材料水灰比使錨索拉拔力增減，對于各種地質(zhì)條件和巖層類型，包括軟弱、裂隙、節(jié)理和不穩(wěn)定的煤層或巖石層，提高其抗剪強度和承載能力，從而增強巷道的穩(wěn)定性和抗沖擊性，能夠有效控制圍巖徑向及切向變形破壞，保證巷道穩(wěn)定性，改善支護環(huán)境，確保礦井運營安全。

但實際中空注漿錨索注漿效果在破碎圍巖中看不見摸不著，對于中空注漿錨索注漿前后周邊剪應(yīng)力作用機理研究較少。為了更明確注漿前、后中空注漿錨索在破碎巷道圍巖中的作用效果，本文通過理論分析和數(shù)值模擬研究中空注漿錨索注漿前后圍巖應(yīng)力變化，結(jié)合實際工程，確定中空注漿錨索注漿前后的剪應(yīng)力作用機理，能夠為破碎圍巖巷道支護理論提供參考，也為強采動煤層或近距離煤層群等受采動影響較大巷道圍巖破碎的情況，提供更安全高效的巷道支護方案，具有較大的參考價值和研究意義。

1 中空注漿錨索注漿力學(xué)特征

中空注漿錨索通常由中空鋼管、錨桿、注漿材料和錨索頭等組成，如圖1所示。注漿材料一般采用高強度、耐久性強的材料，使得錨索能夠承受較大的荷載，提供穩(wěn)固的支護。用于將錨桿與周圍巖石牢固連接在一起。注漿過程中，錨桿中的空心鋼管通過特殊的注漿設(shè)備將注漿材料注入錨孔中，填充孔隙并與巖石結(jié)合，形成穩(wěn)固的錨固體。通過錨固體的形成，將支護力傳遞到巖層中，提高巖層的強度和穩(wěn)定性。注漿材料在固化后，與周圍巖層形成一體化的錨固體，增加了錨桿與巖石之間的摩擦阻力和黏結(jié)力，從而有效地抵抗巖層的變形和位移。能夠分散巖體的應(yīng)力，減少局部應(yīng)力集中，提高煤礦巷道和巷道支護的整體穩(wěn)定性。通過合理選擇注漿材料和錨桿規(guī)格，可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件和巖層特性，實現(xiàn)靈活的支護設(shè)計，適應(yīng)不同區(qū)域的開采需求。同時還具有施工方便、施工周期短、支護效果可靠等優(yōu)點，有效提高工作效率和施工質(zhì)量。

圖1 中空注漿錨索結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of hollow grouting anchor cable

中空注漿錨索相較于普通錨索在巷道支護方面具有抗拉性能更強、抗剪性能更好、抗擾動性更強、防腐蝕性能更好、靈活性和適應(yīng)性更強等明顯的優(yōu)勢。特別是在巖體較破碎或地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，中空注漿錨索的注漿材料在管道內(nèi)形成牢固的結(jié)合，增加了錨索與周圍巖體或混凝土的粘結(jié)力，從而顯著提高了錨索周邊圍巖抗剪性能，普通錨索和中空注漿錨索錨固對比如圖2所示。

圖2 普通錨索和中空注漿錨索錨固對比Fig.2 Comparison of anchorage between ordinary anchor cable and hollow grouting anchor cable

2 中空注漿錨索注漿前后周邊剪應(yīng)力作用機理

2.1 注漿前后周邊剪應(yīng)力作用理論分析

針對破碎圍巖在普通錨桿錨索支護下難以控制問題，采用中空注漿錨索改善破碎圍巖承載能力與穩(wěn)定性。中空注漿錨索內(nèi)部以中空管作為注漿管，外部鋼絞線作為索體，注漿前用樹脂錨固劑進行端部錨固，注漿后用水泥砂漿實現(xiàn)全長錨固。在錨索受到預(yù)緊力與拉拔力時，錨索與錨固劑形成軸向剪應(yīng)力，并傳遞給錨索周邊圍巖。工程實踐中，錨索失效一般為錨索鋼絞線從孔中被拉出，而不是鋼絞線從樹脂錨固劑或水泥砂漿錨固體中被拉出，所以錨固劑、索體與圍巖之間的剪應(yīng)力大小及分布規(guī)律決定了注漿錨索與圍巖之間的極限承載力。

2.1.1 注漿前圍巖剪應(yīng)力

中空注漿錨索在注漿前錨固端是樹脂錨固劑、錨索和圍巖粘彈性介質(zhì)組合形成，符合粘彈性本構(gòu)模型。把中空注漿錨索在預(yù)緊力P0作用下力學(xué)模型簡化為Kelvin半無限體內(nèi)部受集中力作用時的粘彈性解。設(shè)定圍巖是非均質(zhì)不連續(xù)的，取圍巖完整性系數(shù)為k，圍巖與樹脂錨固劑兩者粘合體的彈性模量、剪切模量及泊松比的表達式為：

式中，E1為樹脂錨固劑的彈性模量，GPa；E2為錨固圍巖的彈性模量，GPa；G1、G2為剪切模量，MPa；μ1、μ2為泊松比。

中空注漿錨索在預(yù)緊力P0作用下，端部樹脂錨固段附加剪應(yīng)力：

m≤z≤d

(2)

式中，r為錨索孔半徑，m；m為中空注漿錨索注漿錨固段長度，m；d為錨索長度，m。

2.1.2 注漿后圍巖剪應(yīng)力分布

中空注漿錨索在注漿后實現(xiàn)全長錨固，與注漿前樹脂錨固錨索孔周邊圍巖空間相比，水泥砂漿粘結(jié)錨索自由段與周邊圍巖形成圓柱形大范圍錨固體。

注漿后中空注漿錨索在拉拔力P作用下，錨固體產(chǎn)生的附加應(yīng)力符合圓形荷載下的三維軸對稱Boussinesq應(yīng)力解。其中，注漿錨固段圍巖與水泥砂漿兩者粘合體的彈性模量、剪切模量及泊松比的表達式為：

式中，E3為水泥砂漿的彈性模量，GPa；G3為剪切模量，MPa；μ3為泊松比。

中空注漿錨索在拉拔力P作用下附加剪應(yīng)力在注漿錨固段與端部樹脂錨固段可分段表示為：

針對某煤礦11103綜放巷道，其頂板整體布置在煤層中，煤體彈性模量E2均值為3.53 GPa，泊松比μ2均值為0.27；樹脂錨固劑的彈性模量E1均值為16 GPa，泊松比μ2均值為0.3；水泥砂漿的彈性模量E3均值為24 GPa，泊松比μ2均值為0.17。中空錨索長度為4.5 m，端部錨固段為1.2 m，注漿錨固段為3.3 m。通過以上計算得注漿前、后中空注漿錨索與孔周邊剪應(yīng)力分布曲線如圖3、圖4所示。

圖3 注漿前錨固端周邊剪應(yīng)力Fig.3 Shear stress around the anchor end before grouting

圖4 注漿后注漿錨固段與樹脂錨固端周邊剪應(yīng)力Fig.4 Shear stress around grouting anchorage section and resin anchorage end after grouting

1)注漿前，錨固端周邊剪應(yīng)力曲線為單峰值曲線，樹脂錨固劑與索孔圍巖周邊的剪應(yīng)力峰值主要集中范圍為0.1～0.3 m，整體分布趨勢呈二次線性快速增加到非線性快速下降到穩(wěn)定。錨孔半徑為0.032 m時，隨著預(yù)緊力從100 kN增加到180 kN，錨固體周邊的剪應(yīng)力峰值從6.91 MPa增大到12.44 MPa；錨孔半徑為0.064 m時，隨著預(yù)緊力從100 kN增加到180 kN，錨固體周邊的剪應(yīng)力峰值從1.73 MPa增大到3.11 MPa，兩者成正比關(guān)系；預(yù)緊力為100～180 kN時，隨著錨孔半徑從0.032 m增加到0.064 m，錨固體周邊的剪應(yīng)力分別是從6.91 MPa降低到1.73 MPa，從9.67 MPa降低到2.42 MPa，從12.44 MPa降低到3.11 MPa，兩者成反比關(guān)系。

2)注漿后，注漿錨固段與樹脂錨固段周邊剪應(yīng)力曲線為雙峰值曲線，剪應(yīng)力峰值主要集中范圍為0.05～0.1 m與3.35～3.45 m，整體分布趨勢呈現(xiàn)線性快速增加到非線性快速下降到穩(wěn)定。錨孔半徑為0.032 m，預(yù)緊力為140 kN時，隨著拉拔力從160 kN增加到240 kN，注漿錨固段周邊的剪應(yīng)力從12.95 MPa增加到19.43 MPa，端部錨固段周邊的剪應(yīng)力基本保持8.64 MPa不變；隨著錨孔半徑的增加，錨固體周邊的剪應(yīng)力降低，兩者成反比關(guān)系。

綜上所述，中空注漿錨索在注漿后(較注漿前)錨固體與錨索孔圍巖的剪應(yīng)力分布范圍增加，提高了錨索承載能力與圍巖穩(wěn)定性，改善破碎圍巖中錨索錨固效果。

2.2 注漿前后周邊剪應(yīng)力作用模擬分析

在破碎頂板中錨桿(索)使用端錨、加長錨固、全長錨固，不能實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力完全擴散。但是，采用注漿錨桿(索)強化圍巖后，能實現(xiàn)全長預(yù)應(yīng)力錨固。某工作面掘進巷道屬于破碎頂板巷道，由于頂煤強度低，易破碎且巷道跨度大，頂板易離層，冒落。采用FLAC3D中嵌入的“索”結(jié)構(gòu)單元對錨索進行模擬，其中有對注漿參數(shù)的模擬。通過數(shù)值模擬破碎頂板在未注漿和注漿兩個狀態(tài)的錨桿索預(yù)應(yīng)力場分布，分析破碎頂板注漿后對錨桿索預(yù)應(yīng)力場的影響。巷道預(yù)應(yīng)力場分布如圖5，以0.02 MPa等直線作為有效壓應(yīng)力界限時，上部為錨索錨固端拉應(yīng)力及無效壓應(yīng)力范圍，向下延伸過程中壓應(yīng)力等直線持續(xù)增加，直到0.14 MPa壓應(yīng)力等直線為止。0.06～0.08 MPa的應(yīng)力等值線近似直線，最下部為錨桿索的核心應(yīng)力壓縮區(qū)，壓力值增大幅度大，增速較快，等值線分布密集。錨索預(yù)應(yīng)力場擴散范圍及預(yù)應(yīng)力值大小隨著錨索長度的增加而降低，隨錨索預(yù)緊力增大而升高，合理的注漿錨桿索聯(lián)合支護參數(shù)是控制破碎頂板圍巖的關(guān)鍵。單獨依靠錨索預(yù)應(yīng)力場的作用對頂板穩(wěn)定性的維持能夠產(chǎn)生一定的作用，但是對于頂板破壞圍巖的維護較弱，圍巖破壞不僅增大了頂板的自由面，還將造成錨索預(yù)應(yīng)力釋放，降低錨索支護強度。因此，注漿錨桿索聯(lián)合支護，錨桿間排距小，注漿加固破碎圍巖強度，使得錨桿索預(yù)應(yīng)力場在深部圍巖擴散但不釋放，如圖5所示，注漿后錨桿索的有效預(yù)應(yīng)力增加，預(yù)應(yīng)力場的寬度、高度增加。

(左圖未注漿、右圖注漿，從上到下錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN、90 kN、120 kN；錨索預(yù)應(yīng)力分別為120 kN、150 kN、180 kN)圖5 錨索注漿前、后周邊剪應(yīng)力模擬分析Fig.5 Simulation analysis of shear stress around the anchor cable before and after grouting

2.3 注漿前后近距離煤層破碎頂板巷道的剪應(yīng)力作用

在近距離煤層開采時，因為不同煤層之間缺乏足夠的間距，上煤層采動影響與巖層剪應(yīng)力相疊加并向下轉(zhuǎn)移，使巖層裂隙沿采空區(qū)向下發(fā)育，造成下煤層及巷道頂板遭到破壞，并處于破碎狀態(tài)。在使用中空注漿錨索對巷道頂板進行加固時，如圖6所示。

圖6 注漿前后預(yù)應(yīng)力作用范圍分布(mm)Fig.6 Distribution of prestressing range before and after grouting

注漿前，錨桿(索)對于巷道頂板和兩幫的預(yù)應(yīng)力作用區(qū)域是分開的，并且錨桿(索)預(yù)應(yīng)力作用范圍局限于單根錨索連接段周圍形成高預(yù)應(yīng)力區(qū)域，并沿錨索的長度逐漸減小，錨索預(yù)應(yīng)力作用層位為0.02～0.08，對于頂板裂隙的控制較為有限。注漿過程中，注漿材料在高壓作用下向巷道周圍巖體裂隙和空隙中擴散，將預(yù)應(yīng)力傳遞到整個錨索的長度上，使預(yù)應(yīng)力作用的范圍擴散。注漿后，預(yù)應(yīng)力作用范圍會沿著錨索的徑向方向擴散，不再局限于單一錨索的連接段附近，注漿材料的滲透在巖層裂隙中逐漸擴大，令預(yù)應(yīng)力逐漸擴散到錨桿(索)的周圍區(qū)域，預(yù)應(yīng)力作用層位為0.02～0.1，巷道周圍預(yù)應(yīng)力范圍形成一個整體，形成了一個新的預(yù)應(yīng)力場，沿錨索走向呈漸變式分布，顯著增加了錨桿(索)同巷道周圍巖體的夾持效應(yīng)，降低了應(yīng)力集中的影響，增加巖體的內(nèi)聚力和抗剪強度，提高圍巖的整體穩(wěn)定性，使得破碎圍巖巷道剪應(yīng)力強度降低，有效地控制了巖體的受應(yīng)力疊加造成的裂隙發(fā)育以及剪應(yīng)力作用下形成剪切變形。

3 工程實踐

某礦為在近距離煤層賦存特征，近距離煤層上煤層開采后，下煤層巷道圍巖受到上煤層強采動影響，下煤層巷道圍巖較為破碎，其下煤層破碎圍巖巷道支護方案如圖7—圖9所示。

圖7 近距離煤層下煤層巷道支護斷面圖(mm)Fig.7 Roadway support profile of the lower seam of contiguous seams

圖8 近距離煤層下煤層巷道支護俯視圖(mm)Fig.8 Top view of roadway support in the lower seam of contiguous seams

圖9 近距離煤層下煤層巷道支護側(cè)視(mm)Fig.9 Side-view of support in the lower seam of contiguous seams

1)“注漿錨索+錨桿+單體支柱+29U型鋼+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護。頂板錨桿索的主動支護與“29U型鋼+單體支柱+金屬網(wǎng)”被動支護相結(jié)合，既能在深層次穩(wěn)定控制頂板深部巖層，又能依托29U型鋼+單體支柱+金屬網(wǎng)組合架構(gòu)進行圍巖表層支護。能夠保持頂板圍巖淺表和深部巖層的完整性，進而有效限制巷道圍巖的變形與破壞，提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。頂板錨桿選用Φ22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距865(840) mm×900 mm，托盤為120 mm×120 mm×8 mm的鋼板，雙外側(cè)錨桿采用傾斜布置，傾斜角度為15°，錨桿預(yù)應(yīng)力不低于120 kN，頂錨桿間采用由Φ14 mm，4500 mm×80 mm(長×寬)鋼筋梯子梁連接，并輔以Φ6 mm菱形金屬網(wǎng)護表；頂錨索選用Φ17.8 mm×4500 mm高強中空注漿錨索，延伸率為5%，錨索是高強低松弛鋼絞線，間排距為1500 mm×980 mm。

在破碎頂板巷道內(nèi)采用“29U型鋼+單體支柱+金屬網(wǎng)”進行圍巖表層支護，29U型鋼材質(zhì)為20mnk，高度為124 mm，厚度為16 mm，截面為36.92 cm2；DZ28單體支柱，排距1000 mm，利用29U型鋼支架整體支護巷道，維護巷道圍巖穩(wěn)定。但是，巷道中部荷載集中，容易壓垮壓彎29U型鋼。為此采用單體支柱配合29U型鋼。單體液壓支柱重量較輕、運輸方便、安裝維護方便、使用壽命長、成本低等眾多優(yōu)點，且單體液壓支柱的液壓設(shè)計，為單體支柱提供了強大的承載力，同時單體液壓支柱對于壓力和沖擊力具有良好的緩沖作用，能夠長期作用于頂板，提供穩(wěn)定的支撐力，防止頂板發(fā)生變形、偏移、塌陷等情況。單體柱配合29U型鋼形成被動支護，能夠形成穩(wěn)定的支護空間，進而穩(wěn)固頂板結(jié)構(gòu)，長期對頂板起到固定作用，且具有穩(wěn)定、安全的性能。單體液壓支柱與29U型鋼設(shè)備相結(jié)合，能夠?qū)敯迨┘佑行ЯΦ淖饔?，從而達到“分壓減跨”頂板巖層荷載的目的，能使頂板巖層的彎曲應(yīng)力和撓度降低了，且能減少頂板巖層對巷道兩幫的荷載作用[185]，實現(xiàn)對頂板圍巖有效支撐，同時能夠增強淺部圍巖的完整性，形成淺部頂板圍巖弱承載結(jié)構(gòu)，限制頂板圍巖的變形。

2)煤柱幫與實體煤幫錨桿+鋼帶托盤+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。為了解決幫錨桿拉斷、失效問題，實體煤幫錨桿選用Φ16 mm×1800 mm的A3圓鋼制，安裝三排錨桿，錨桿間排距為900 mm×900 mm，錨桿到頂、底板距離為500 mm，采用鋼帶托盤尺寸為300 mm×275 mm×3 mm。煤柱幫與實體煤幫存在表面煤體破碎情況，為了增加表面碎煤控制，采用表面面積較大的鋼帶托盤控制表面碎煤自由面，起到護表及錨固緊縮雙重作用。

4 結(jié) 論

1)注漿前樹脂錨固劑與索孔圍巖周邊的剪應(yīng)力峰值主要集中在距離圍巖表面0.1～0.3 m的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)線性快速增加到非線性快速下降再到穩(wěn)定的趨勢。隨著預(yù)緊力的增加，錨固體周邊的剪應(yīng)力峰值增大，并且剪應(yīng)力峰值與錨孔半徑成正比關(guān)系。

2)在注漿后，注漿錨固段與樹脂錨固段周邊的剪應(yīng)力分布呈現(xiàn)雙峰值形態(tài)，主要集中在距離圍巖表面0.05～0.1 m和3.35～3.45 m的范圍內(nèi)，整體分布趨勢也呈二次線性快速增加到非線性快速下降再到穩(wěn)定的趨勢。隨著拉拔力的增加，注漿錨固段周邊的剪應(yīng)力增加，而端部錨固段周邊的剪應(yīng)力基本保持在較低水平。剪應(yīng)力與錨孔半徑成反比關(guān)系，即錨孔半徑越大，周邊圍巖的剪應(yīng)力越小。

3)在注漿材料加固作用下，隨著注漿材料的固化，形成較大范圍的漸變式預(yù)應(yīng)力場，使錨桿(索)的預(yù)應(yīng)力作用范圍形成一個整體，提高了巷道兩幫和頂板圍巖的內(nèi)聚力和抗剪強度，令巷道圍巖應(yīng)力集中和剪應(yīng)力強度影響降低，進一步減小剪應(yīng)力對破碎圍巖的破壞。