復(fù)雜地質(zhì)條件下錨桿聯(lián)系鏈的圍巖錨固機理探討

甘仕偉,許夢國,王 平,2,王明旭,陳順滿

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢，430074)

礦山巷道的掘進線路有時會穿過復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造帶，其中多為松軟巖層。松軟巖層巖體破碎，形成許多弱面，如節(jié)理、片理、裂隙等，導(dǎo)致巖體的原有強度被破壞。在松軟巖層中掘進巷道較為容易，但支護卻極為困難，采用常規(guī)的施工方法、支護形式和支護結(jié)構(gòu)往往不能奏效[1]，而礦山企業(yè)又大多不愿采用復(fù)雜的支護方法和成本過高的支護材料，因此迫切需要根據(jù)采場的實際情況設(shè)計出切實可行的支護方案，以保障生產(chǎn)的安全性和持續(xù)性。許夢國等[2]設(shè)計了一種與摩擦錨桿聯(lián)合使用的錨桿聯(lián)系鏈及其組合支護方法。該方法已在武鋼礦業(yè)有限責(zé)任公司程潮鐵礦進行過現(xiàn)場試驗，證明對巷道圍巖結(jié)構(gòu)面的支護是有效的，但目前對其作用機理的研究較少。由于該方法的實用性較好，可在礦山企業(yè)進一步推廣，為此本文擬通過理論分析和數(shù)值模擬的方法對錨桿聯(lián)系鏈的圍巖錨固機理進行深入探討。

1 錨桿聯(lián)系鏈的構(gòu)造及布置

1.1 錨桿聯(lián)系鏈的構(gòu)造

1—錨桿安裝孔；2—6～8鋼筋

圖2 錨桿聯(lián)系鏈聯(lián)合支護體系

Fig.2Supportingsystemformedbyboltsandboltconnectionchain

圖3 L型砂漿錨桿

圖4 T型砂漿錨桿

1—鋼絲；2—6～8鋼筋

1.2 錨桿聯(lián)系鏈的布置

錨桿聯(lián)系鏈主要是針對復(fù)雜地質(zhì)條件設(shè)計的，而地層中的結(jié)構(gòu)面和斷層帶具有隨意性，這就要求錨桿聯(lián)系鏈能夠靈活使用。錨桿聯(lián)系鏈的結(jié)構(gòu)簡單，施工人員無需事先設(shè)計支護布置方案，只需根據(jù)節(jié)理裂隙的走向或是斷層帶的分布來現(xiàn)場確定支護方案。

例如，某巷道壁上有一段結(jié)構(gòu)面，依據(jù)結(jié)構(gòu)面的走向可分別布置不同方向的錨桿聯(lián)系鏈，如圖6所示，其中，2#錨桿聯(lián)系鏈豎直布置，4#、5#錨桿聯(lián)系鏈并排水平布置，1#錨桿聯(lián)系鏈則傾斜布置，與結(jié)構(gòu)面相對垂直，由于結(jié)構(gòu)面走向改變的地方應(yīng)力分布較為復(fù)雜，可將2#和3#錨桿聯(lián)系鏈交錯布置。由此可知，錨桿聯(lián)系鏈不僅可以縱橫布置，也可斜向或是交錯布置，使得錨桿聯(lián)系鏈的應(yīng)用變得很靈活。而在相同的地質(zhì)條件下，現(xiàn)行的掛金屬網(wǎng)支護方法偏于保守，雖然巷道只有部分破碎，但其整段都被支護起來，既增加了工作量，成本也高。總之，錨桿聯(lián)系鏈適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的巷道支護，其針對性強，操作靈活，工作量小，成本低，在巷道局部破壞的情況下可替代掛網(wǎng)支護，是對現(xiàn)行支護方法的一種補充。

1—錨桿；2—巷道壁；3—結(jié)構(gòu)面；

錨桿聯(lián)系鏈支護是在噴錨聯(lián)合支護的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其具體施工方案如圖7所示。錨桿沿巷道均勻布置，在巷道內(nèi)壁每排打13根錨桿孔，注漿并插入錨桿，除兩邊各3根之外，左右拱角之間共7根錨桿，其中1根在頂板處，將中間4根錨桿用錨桿聯(lián)系鏈相連，然后噴射混凝土，使錨桿聯(lián)系鏈與噴層共同作用，形成支護的整體性。

1—結(jié)構(gòu)面；2—錨桿；3—巷道；4—錨桿聯(lián)系鏈

Fig.7Elevationoftunnelsupportedbyboltconnectionchain

2 錨桿聯(lián)系鏈的作用機理及其優(yōu)點

2.1 錨桿聯(lián)系鏈的作用機理

目前，礦山普遍采用噴錨聯(lián)合支護方式，雖然對于一般的巷道來說，噴錨支護可以達到很好的約束效果，但仍可進一步加以改進。光彈試驗證明，用錨桿進行支護時，在兩錨桿之間的圍巖表面附近會產(chǎn)生拉應(yīng)力[1]，如果巖石松軟，在拉應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生局部的破壞和掉塊。混凝土雖然可以控制掉塊，但其抗拉強度較弱，當(dāng)巖體變形過大時，支護效果就會變差，而錨桿聯(lián)系鏈則很好地解決了這個問題。

錨桿聯(lián)系鏈將之前互不相連的錨桿聯(lián)系起來形成錨桿組，此時，錨桿由單獨受力變?yōu)檎w受力，即錨桿聯(lián)系鏈將巖體作用力分攤給鏈條上所有的錨桿(見圖8)，因此單根錨桿受力減小。錨桿單獨布置時，在圍巖之間會產(chǎn)生拉應(yīng)力，錨桿聯(lián)系鏈則可以消除該拉應(yīng)力。錨桿聯(lián)系鏈中的鋼筋在噴漿時埋入混凝土中，與混凝土形成了鋼筋混凝土層，相當(dāng)于建筑工程中混凝土配置鋼筋，鋼筋代替混凝土直接承受拉應(yīng)力，極大地提高了噴層的抗拉強度。錨桿單獨布置時，其端部與混凝土存在相互作用力，但由于兩種材料的屬性相差較大，這種作用力是十分有限的，效果只相當(dāng)于鉸接，此時混凝土層所受彎矩M1如圖9所示。添加錨桿聯(lián)系鏈后，錨桿與錨桿聯(lián)系鏈的連接代替了錨桿與混凝土之間的連接，其相互作用力增強，作用效果強于鉸接，但仍弱于剛性連接，這時圖9中M1彎矩圖向上平移，在錨桿與錨桿聯(lián)系鏈的連接處出現(xiàn)負彎矩，彎矩大小減為M2，圍巖壓力的破壞作用大為降低。

1—摩阻力;2—錨桿;3—巖石作用力;4—錨桿聯(lián)系鏈

Fig.8Forcesofthesupportingsystemformedbyboltconnectionchainandbolts

1—錨桿;2—錨桿聯(lián)系鏈;3—彎矩M2;4—彎矩M1

Fig.9Variationofbendingmomentinwallrocksupportedbyboltconnectionchain

2.2 錨桿聯(lián)系鏈的優(yōu)點

支護前期是巷道最為薄弱的時刻，因為巖體的破壞是一個連鎖過程，前期的較小破壞會誘發(fā)后期破壞，多次破壞積累的能量瞬間爆發(fā)，具有很強的時間和空間效應(yīng)性，是不可逆轉(zhuǎn)的過程，因此及時支護對巷道而言至關(guān)重要。常規(guī)的掛金屬網(wǎng)支護方式對安裝環(huán)境要求較高，其支護面積大，支護區(qū)域內(nèi)的巷道必須先處理好，所以施工時間較長，影響掘進作業(yè)的持續(xù)進行，同時工人較長時間在沒有支護的巖體結(jié)構(gòu)面下作業(yè)，危險性也較高。由于錨桿聯(lián)系鏈布置靈活，對安裝環(huán)境要求不高，錨桿孔打好之后即可安裝，縮短了作業(yè)時間，能在支護早期及時有效地投入使用。

錨桿聯(lián)系鏈的安裝使用很方便。錨桿聯(lián)系鏈可事先在地面加工完畢，帶至井下即可進行支護作業(yè)。在支護早期，可對巷道局部破壞嚴(yán)重的地段優(yōu)先支護，對其完整部位則延后支護，可節(jié)約早期寶貴的施工時間，最危險地段在較短時間內(nèi)得到修復(fù)，提高作業(yè)安全性。錨桿聯(lián)系鏈的制作也很方便，其構(gòu)造簡單，原材料為普通建筑鋼材，可因地制宜，鋼材消耗量也不大，因此錨桿聯(lián)系鏈的使用成本很低。與之相比，掛網(wǎng)支護施工較為麻煩，局部出現(xiàn)破壞時整個掘進段都要掛上金屬網(wǎng)，耗費大量的人力和時間，鋼材消耗量和使用成本較高。

綜上所述，錨桿聯(lián)系鏈具有作業(yè)時間短、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低等特點，在兼具噴錨網(wǎng)支護優(yōu)點的同時，也彌補了噴錨網(wǎng)支護的不足，是對礦山現(xiàn)行支護方式的補充和改進。對于大面積結(jié)構(gòu)面，掛網(wǎng)支護是最佳選擇，但是對于只出現(xiàn)局部破壞的巷道，則完全可用錨桿聯(lián)系鏈替代掛網(wǎng)支護。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 支護模型的建立

本文以程潮鐵礦的礦區(qū)巷道為模擬對象，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬計算[4-5]。整個模型的計算范圍為30 m×30 m×20 m，試驗巷道斷面為半圓拱形，巷道尺寸為：寬4.4 m、高4.4 m、長20 m。為了模擬礦山的真實環(huán)境，在模型中添加了結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面經(jīng)過巷道，貫穿整個模型。程潮鐵礦回采巷道一般采用噴錨支護方式，為了比較不同方式的支護效果，文中分別建立了噴錨支護和錨桿聯(lián)系鏈支護兩種模型。噴錨支護模擬利用FLAC3D軟件中的錨桿單元和殼單元來實現(xiàn)，其中，錨桿用錨桿單元模擬，噴漿用殼單元模擬，通過加大殼單元的參數(shù)來實現(xiàn)錨桿聯(lián)系鏈的支護效果。圖10為巷道錨桿聯(lián)系鏈支護數(shù)值仿真模型。模型總共劃分為59058個單元、96665個節(jié)點，模型的四邊和底部為滾支承。將圍巖簡化為一種類型，采用基于摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則的本構(gòu)模型。

(a)整體模型

(b) 錨桿聯(lián)系鏈支護模型

Fig.10Numericalmodeloftunnelsupportedbyboltconnectionchain

3.2 計算參數(shù)的確定

通過分析程潮鐵礦地質(zhì)調(diào)查報告，初步掌握了所研究區(qū)域礦巖的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示，但是這些參數(shù)不能直接應(yīng)用于現(xiàn)場試驗或是數(shù)值模擬中，需要進行工程弱化處理。結(jié)合巖石強度指標(biāo)弱化的工程方法，可得到室內(nèi)巖石物理力學(xué)參數(shù)。由于要考慮結(jié)構(gòu)面對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，故需要獲取結(jié)構(gòu)面巖體的物理力學(xué)參數(shù)。結(jié)構(gòu)面巖體具有松散非均勻性，通過試驗的方法獲取所需參數(shù)難度較大，而工程地質(zhì)類比法可有效解決這個問題[6]。通過相關(guān)處理并結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，得到數(shù)值模擬中采用的巖石物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。FLAC3D計算模型中支護材料的參數(shù)見表3。

北京科技大學(xué)等單位對程潮鐵礦西區(qū)-360 m和-430 m水平進行過現(xiàn)場測試，采用孔壁應(yīng)力解除法測量了8個點的應(yīng)力[7]。由文獻[7]可得到如下結(jié)論：原巖應(yīng)力中的次主應(yīng)力σ2非常接近由自重引起的垂直應(yīng)力分量σz；礦區(qū)巖體最大主應(yīng)力σ1傾角接近水平，主方向與礦體走向基本一致；最小主應(yīng)力σ3傾角接近水平，方向基本上垂直礦體走向。然而礦區(qū)主要構(gòu)造——淮陽山字形構(gòu)造決定著礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造的總輪廓以及侵入體和礦床分布的總方向，礦區(qū)最大主應(yīng)力方向一般與礦區(qū)主要構(gòu)造垂直，即可能垂直于礦體走向。而且，根據(jù)文獻[7]中的地應(yīng)力實測結(jié)果，8個測點最大主應(yīng)力的方位角均為170°～180°，程潮鐵礦的總體礦體走向約為120°，實測最大主應(yīng)力的方向更接近于垂直礦體走向。綜上所述，在本文數(shù)值模擬分析中將考慮兩種可能的最大主應(yīng)力方向：①σx=σ1=1.75σ2，方向沿礦體走向，σy=σ3=0.4σ2，方向垂直于礦體走向，σz=σ2=γh；②σx=σ1=1.75σ2，方向垂直于礦體走向，σy=σ3=0.4σ2，方向沿礦體走向，σz=σ2=γh。上文中，h為監(jiān)測點與地表標(biāo)高的垂直高度，礦巖容重γ=26～28 kN/m3。

表1 礦巖的物理力學(xué)參數(shù)

表2 數(shù)值計算中采用的巖石物理力學(xué)參數(shù)

表3 支護材料的物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型的地表標(biāo)高取為55 m。文獻[7]中部分現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與模型所取標(biāo)高一致，測量地點也十分接近，雖然應(yīng)力的方向與傾角略有偏差，但是對試驗結(jié)果沒有大的影響，經(jīng)過處理后可用于數(shù)值模擬，即計算時巷道圍巖的應(yīng)力參數(shù)如表4所示(-360 m水平)。

表4巷道圍巖原巖應(yīng)力狀態(tài)

Table4Originalrockstressofsurroundingrockofthetunnel

原巖應(yīng)力方向取值/MPa最大主應(yīng)力σ1180°18.3中間主應(yīng)力σ290°11.8最小主應(yīng)力σ3180°4.7

3.3 模擬結(jié)果與分析

噴錨聯(lián)合支護和錨桿聯(lián)系鏈支護兩種模型均在相同的邊界條件和受力條件下進行數(shù)值計算。在巷道頂板附近取了若干點進行監(jiān)控，圖11所示為兩種支護方式下巷道頂點處在Z方向(豎直方向)上的位移。從圖11中可以看出，將噴錨聯(lián)合支護改為錨桿聯(lián)系鏈支護后，巷道頂點位移由1.0 mm降至0.5 mm，表明錨桿聯(lián)系鏈對巷道的形變控制效果更好。錨桿聯(lián)系鏈支護是對噴錨聯(lián)合支護的改良，使用錨桿聯(lián)系鏈后，錨桿由單獨受力變?yōu)檎w受力，提高了混凝土噴層的抗拉強度，錨桿聯(lián)系鏈、錨桿、混凝土噴層三者之間的有機結(jié)合，提高了圍巖的自支撐能力，錨桿之間的圍巖受到約束，拉應(yīng)力也大為減小，從而可以避免圍巖局部垮塌或是巖石冒落。

圖11 兩種支護方式下的巷道頂點Z方向位移

Fig.11Tunnelarchtopsettlementsattwosupportingsystems

4 現(xiàn)場試驗

4.1 地質(zhì)概況

在程潮鐵礦進行錨桿聯(lián)系鏈支護的現(xiàn)場試驗。程潮鐵礦位于長江中下游鐵銅成礦帶西端，屬于接觸交代矽卡巖型礦床。礦體上盤為閃長巖，下盤為斑狀花崗巖，上下盤之間夾有變質(zhì)巖體，礦體平均厚度53 m，平均傾角46°。礦體以15號勘探線為界分為東區(qū)和西區(qū)兩個礦區(qū)，年生產(chǎn)能力分別為200萬t和80萬t。通過分析程潮鐵礦的地質(zhì)調(diào)查報告，選取該礦-360 m 水平東8川29#進路進行錨桿聯(lián)系鏈支護試驗。

4.2 巷道支護施工技術(shù)要求

(1)噴層需要達到相應(yīng)的厚度。素噴混凝土厚度：(80±10)mm；礦(廢)石井聯(lián)絡(luò)道、進路錨噴支護厚度：(80±10)mm；采區(qū)下沿脈錨噴支護厚度：(100±10)mm；礦(廢)石井聯(lián)絡(luò)道錨網(wǎng)噴厚度：(100±10)mm；進路、下沿錨網(wǎng)噴厚度：(130±10)mm；風(fēng)井、下料井聯(lián)絡(luò)道素噴混凝土厚度：80mm±10mm。噴射后，噴層表面圓滑，無裸露礦巖，無接縫。

(2)混凝土噴層中需要保證一定的石子含量。材料要求：水泥標(biāo)號為500#以上；瓜米石粒徑為6～13 mm，片狀粒狀各占50%；黃砂為一般中砂(平均粒徑為0.35～0.49 mm)。噴射混凝土配比為m(水泥)∶m(瓜米石)∶m(黃砂)=1∶2∶2；水灰質(zhì)量比為0.4～0.45；速凝劑添加量為2%～4%。

(3)局部有斷裂的地帶采用錨噴加錨桿聯(lián)系鏈的支護方式。

4.3 巷道收斂監(jiān)測

為了進行比較分析，選擇相鄰的30#進路作為對照組。30#進路與29#進路為相鄰巷道，二者走向一致，巷道的尺寸也相同。與29#進路最大的不同之處是30#進路僅僅作了噴錨處理。采用數(shù)顯收斂計對巷道圍巖收斂變形量進行監(jiān)測，監(jiān)控點布置如圖12所示，A點位于巷道頂板，B、C兩點分別位于巷道兩邊幫。每條進路選擇兩個測量點，每個測點在第一次數(shù)據(jù)測量完成的36天后進行了第二次測量。監(jiān)測結(jié)果如表5所示。由表5可見，盡管兩次測試間隔時間不長，相鄰兩條進路的測試數(shù)據(jù)變化差異不夠明顯，但總的來說，29#進路巷道的變形要比對照組巷道的變形小。分析表5中東8川29#進路的數(shù)據(jù)可知，測量點①處位于兩邊幫的監(jiān)控點B-C間距縮小了5.32 mm，縮小率為0.14%，這表明巷道圍巖在應(yīng)力作用下發(fā)生了形變，巷道壁向內(nèi)鼓起；A-B、C-A間距分別縮小9.4、3.04mm，縮小率分別為0.45%與0.10%，即A點與B、C兩點的距離趨于接近。

圖12 巷道圍巖收斂監(jiān)控點

Fig.12Convergencemonitoringpointsattunnelsurroundingrock

A點位于巷道頂板，表明巷道頂板在沉降，但是A-B間距與C-A間距的變化量及變化率都不一致，表明巷道頂板并不是垂直下降，而是同時發(fā)生了水平向移動，也就是說頂板在傾斜下降，究其原因，應(yīng)該與地質(zhì)構(gòu)造以及圍巖應(yīng)力方向、作用點有很大的關(guān)系，說明圍巖的物理力學(xué)參數(shù)以及巖體性質(zhì)、地應(yīng)力的大小和方向?qū)ο锏绹鷰r的變形乃至破壞的影響很大。測量點②與測量點①的結(jié)果基本吻合，不同之處在于測量點②處頂板相對升高。

表5 巷道圍巖收斂監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

在斷層、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面豐富的軟弱巖體中進行掘進作業(yè)，巷道支護極為困難，而與錨桿聯(lián)合使用的錨桿聯(lián)系鏈組合支護為支護方案提供了新的選擇。使用錨桿聯(lián)系鏈后，錨桿由單獨受力變?yōu)檎w受力，混凝土噴層的抗拉強度得以提高，錨桿聯(lián)系鏈、錨桿和混凝土噴層三者之間的有機結(jié)合提高了圍巖的自支撐能力，錨桿之間的圍巖受到約束，拉應(yīng)力大為減小，從而可以避免巷道局部垮塌或巖石冒落。

錨桿聯(lián)系鏈組合支護方式具有作業(yè)時間短、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，其在兼具噴錨網(wǎng)支護優(yōu)點的同時，也彌補了噴錨網(wǎng)支護的不足，是對礦山現(xiàn)行支護方式的補充和改進。現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬結(jié)果均表明該支護方法效果明顯，可在礦山企業(yè)進行推廣。

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