深部煤巷穩(wěn)定性錨網(wǎng)耦合支護(hù)一體化控制技術(shù)

丁良臣

摘 要：要維持巷道及支護(hù)體的穩(wěn)定，必須保證支護(hù)體與圍巖的耦合，同時(shí)，在最佳支護(hù)時(shí)段內(nèi)實(shí)施支護(hù)，此時(shí)的支護(hù)荷載為軟巖巷道最小支護(hù)荷載，即軟巖巷道耦合支護(hù)荷載。

關(guān)鍵詞：深部煤巷；穩(wěn)定性；錨網(wǎng)耦合支護(hù)一體化

深部巷道穩(wěn)定性問(wèn)題是研究開(kāi)挖后的圍巖工程地質(zhì)系統(tǒng)與支護(hù)系統(tǒng)相互作用達(dá)到二次穩(wěn)定的復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題。巷道開(kāi)挖后，原有的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖應(yīng)力進(jìn)行重新調(diào)整和分布，完整性較差的圍巖很快就會(huì)進(jìn)入塑性、粘塑性和流變大變形階段，如果此時(shí)支護(hù)體和圍巖之間出現(xiàn)強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)上的不耦合，會(huì)加速?lài)鷰r的變形破壞，出現(xiàn)大面積的頂幫下沉、臌幫等現(xiàn)象。

考慮到錨固體和圍巖的機(jī)械作用，錨桿與圍巖的組合系統(tǒng)可以被分成兩個(gè)平衡體：一個(gè)是沒(méi)有錨桿支護(hù)的原始巖體，另一個(gè)是施加錨桿軸力作用的組合系統(tǒng)，實(shí)際錨桿的作用是兩個(gè)系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。

1 錨桿與圍巖耦合作用分析

傳統(tǒng)的組合拱設(shè)計(jì)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，巷道圍巖注入錨桿后所形成的組合拱厚度與錨桿的間排距、錨桿對(duì)巖體的控制角α有關(guān)（圖1），一般α取45°。根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果，α的取值及錨桿調(diào)動(dòng)巖體的范圍應(yīng)根據(jù)錨桿圍巖的耦合程度來(lái)確定。

由于巖體開(kāi)挖，頂部巖體要向下移動(dòng)、變形，下部巖體和上部巖體的變形大小是不同的，錨桿的存在，增大了巖體整體的剛度，使巖體的變形更加協(xié)調(diào)，下部巖體變形比上部巖體的變形要大的多，此時(shí)錨桿就處于一種受拉狀態(tài)，當(dāng)錨桿頂端深入穩(wěn)定巖體中時(shí)，錨桿對(duì)于下部巖體起著懸吊作用。

2 錨網(wǎng)與圍巖耦合作用機(jī)理分析

錨網(wǎng)和圍巖的耦合作用十分重要，過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱的錨網(wǎng)支護(hù)，都會(huì)引起局部應(yīng)力集中而造成巷道破壞。只有當(dāng)錨網(wǎng)和圍巖強(qiáng)度、剛度達(dá)到耦合時(shí)，變形才能相互協(xié)調(diào)。達(dá)到耦合的標(biāo)志是圍巖應(yīng)力集中區(qū)在協(xié)調(diào)變形過(guò)程中，向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，從而達(dá)到最佳支護(hù)效果。

2.1圍巖集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象

數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，在巷道掘進(jìn)初期，巷道圍巖頂部應(yīng)力迅速集中，是巷道垮落危險(xiǎn)區(qū)域；在實(shí)施錨網(wǎng)耦合支護(hù)后，頂部應(yīng)力集中區(qū)迅速下降，而幫部低應(yīng)力區(qū)應(yīng)力狀態(tài)迅速提高，整個(gè)圍巖不同部位應(yīng)力狀態(tài)趨于均勻化。由此可見(jiàn)，實(shí)施錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)以后，圍巖支護(hù)狀態(tài)從開(kāi)放環(huán)境到封閉力學(xué)環(huán)境，圍巖集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，整個(gè)應(yīng)力擴(kuò)散均勻化過(guò)程是通過(guò)錨網(wǎng)耦合設(shè)計(jì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

2.2圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化

隨著圍巖受力由集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化，錨桿受力趨于均勻化，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)趨于均勻化。

3深部巷道底臌控制技術(shù)

深部巷道由于受采掘擾動(dòng)，引起圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，使頂板和兩幫巖體發(fā)生變形并向巷道內(nèi)位移，底板巖體向巷道內(nèi)位移發(fā)生底臌。強(qiáng)烈的底臌不僅帶來(lái)大量的維修工作，增加了維護(hù)費(fèi)用，而且影響生產(chǎn)活動(dòng)無(wú)法正常進(jìn)行。深井煤巷的底臌問(wèn)題一直是困擾煤礦生產(chǎn)中的重大難題。

3.1 深部煤巷的底臌特征

深部巷道的底臌主要表現(xiàn)為以下主要特征：

（1）底板巖體強(qiáng)度比較低。特別是當(dāng)巷道底板節(jié)理裂隙比較發(fā)育、受到水和風(fēng)化的影響，導(dǎo)致底板巖石向鄰空側(cè)的位移量大。

（2）深部煤巷對(duì)應(yīng)力的變化比較敏感。在一定的地質(zhì)生產(chǎn)條件下，巷道底臌可能表現(xiàn)得并不明顯。但隨著巷道埋深得增加或受到開(kāi)采擾動(dòng)后，應(yīng)力達(dá)到一定值，底板巖石會(huì)大量向巷道內(nèi)鼓出。從姚橋礦的煤巷底臌量最大達(dá)到1.5～2.0m，成為巷道支護(hù)中的難題。

（3）深部煤巷的底臌具有明顯的流變性。具體表現(xiàn)為底臌的初始速度大，之后逐漸趨緩并過(guò)渡到比較穩(wěn)定的階段。底臌速度趨于穩(wěn)定的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且在穩(wěn)定狀態(tài)下，底板巖層仍以一定的速度向巷道內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)總的底臌量超過(guò)一定數(shù)值后，底臌數(shù)率還會(huì)再度增大。

4 深部煤巷的底臌控制技術(shù)

巷道底臌的控制技術(shù)很多，主要有底板卸壓、錨桿加固、封閉底板、底板注漿加固以及加強(qiáng)幫角等。針對(duì)深部煤層巷道的掘進(jìn)和使用特點(diǎn)，采用三級(jí)控制底臌變形。采用錨網(wǎng)索耦合加固頂板，錨網(wǎng)耦合加固幫部，采用45°底角錨桿對(duì)底角進(jìn)行加固，在理論上和實(shí)踐上都是較為可行的方法。

（1）一級(jí)控制：錨網(wǎng)索耦合加固頂板

深部煤層巷道的底臌多為上覆巖層的壓力通過(guò)兩幫傳遞到底板引起的。錨索關(guān)鍵部位耦合支護(hù)，將上覆不穩(wěn)定巖層懸吊到深部穩(wěn)定巖層，利用深部圍巖強(qiáng)度，減小傳遞到底板的上覆巖層壓力，從而避免或減輕底臌的發(fā)生。

（2）二級(jí)控制：錨網(wǎng)耦合加固幫部

錨網(wǎng)耦合支護(hù)控制巷道幫頂圍巖，形成自承能力較高的承載拱，以控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。深部煤巷在高地應(yīng)力作用下，兩幫壓力增加，煤體的破碎區(qū)域擴(kuò)大。如果幫部在支護(hù)體強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)上與圍巖不耦合，就會(huì)出現(xiàn)巷道變形加劇，表層煤體破碎區(qū)域擴(kuò)大，出現(xiàn)實(shí)際跨度增加，沿空側(cè)巷道會(huì)出現(xiàn)煤柱有效承載面積降低等現(xiàn)象。由此一方面導(dǎo)致加速下沉頂板，同時(shí)，由于煤柱的壓模作用，加劇底臌變形。

（3）三級(jí)控制：錨桿加固底角

根據(jù)底臌防治理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在巷道的底部增設(shè)底角錨桿，可以有效地提高底板的穩(wěn)定性，防止底臌的發(fā)生，實(shí)踐證明是可行、適用的方法。底角錨桿主要起到以下幾個(gè)方面的作用：

① 通過(guò)底角錨桿，在巷道角部形成自承能力較高的承載拱，可以減弱巷道底角部應(yīng)力集中程度，以控制底角圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。

② 提高巷道底角部圍巖的強(qiáng)度，減小兩幫的塑性變形。

③ 通過(guò)增打底角錨桿，可以有效切斷來(lái)自巷道兩側(cè)的高應(yīng)力滑移線(xiàn)，消弱來(lái)自巷道兩側(cè)的擠壓應(yīng)力，有效控制底板鼓出變形。

5總結(jié)

因此，軟巖巷道耦合支護(hù)參數(shù)就是巷道在支護(hù)體與圍巖耦合支護(hù)條件下，由軟巖巷道耦合支護(hù)荷載所確定的支護(hù)參數(shù)。軟巖巷道耦合支護(hù)參數(shù)包括初次耦合支護(hù)參數(shù)和二次耦合支護(hù)參數(shù)。

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