不同錨桿支護方式下強頂弱幫巷道穩定性分析

閔 軍

(山西焦煤霍州煤電集團店坪煤礦, 山西 霍州 031000)

1 前言

巷道圍巖的穩定性形態可分成兩種類型：一種是圍巖破碎區形成之前所達到的穩定形態即彈塑性穩定形態，另一種是圍巖破碎區形成后才達到的穩定形態即松動性穩定形態[1]。當巷道圍巖力學環境有利時，圍巖在整個服務期內都可能維持在彈塑性穩定形態；反之，圍巖將處在松動性穩定形態，伴隨巷道變形量的增大還會表現出階段性特點，即出現彈塑性和松動性穩定形態[2]。在進行巷道圍巖支護時應依據不同的圍巖類型與力學環境條件選擇不同的圍巖控制理論，令圍巖處于不同的穩定性形態[3-4]。鑒于此，本文用數值模擬研究在方山店坪煤礦地質條件下不同錨桿支護方式下圍巖的力學效應，辨析不同錨固結構的力學性能差別，探索不同錨固結構支護下巷道圍巖所歷經的變形- 破壞- 失穩全過程的變化，為有效控制圍巖，保證其穩定性提供可靠依據。

2 工程概況

方山店坪煤礦5#煤層埋藏深度約為285～400m，傾角為1°～7°，屬于緩傾斜煤層。煤層結構較簡單，含有兩至三層夾矸，夾矸多是砂質泥巖，厚度為0.20～0.35m。煤層層理發育，各分層煤體力學參數差異較大，節理有一定發育。煤層頂、底板以層狀泥巖、砂巖為主。表1是煤層及頂底板物理力學參數。巷道布置在5#煤層，斷面5.0m×3.1m，沿底板掘進。煤層及頂底板物理力學參數見表1。

表1 煤層及頂底板物理力學參數

3 錨桿支護方式選擇

不同錨固方式適用于不同情形，應根據巷道圍巖類型進行合理選擇[5]。通過現場觀察發現，店坪煤礦5#煤層巷道的失穩過程是頂板首先表現出顯著的彎曲變形，繼而出現大量下沉，頂板上方1.9m內處于不穩定狀態，巖層界面出現離層現象；之后巷幫出現片幫或垮幫，兩幫頂角因頂板巖層的不斷彎曲下沉而被壓碎，導致發生更嚴重的片幫或垮幫，兩幫破壞深度達到1.6m，弱化的兩幫不能對頂板起到有效支撐，使巷道有效寬度增加、頂板繼續加劇下沉；最終形成“頂板彎曲下沉→兩幫受壓碎裂→片幫或垮幫→兩幫對頂板支撐削弱→頂板彎曲下沉加劇→兩幫破裂加劇”的惡性循環。而且隨時間延長，頂板中還往往形成拱形破裂區，使圍巖內的荷載體范圍變大。

由上述圍巖變形破壞特征可知，巷道頂板巖層表現出疊合梁及冒落拱的結構特性，而兩幫表現出裂隙體結構屬性，巷道圍巖特征表現為兩幫巖性較軟弱、頂底板巖性較硬，且兩幫與頂、底間層理發育，故圍巖屬于強頂弱幫型。所以，針對這類圍巖條件和頂板具備層狀連續巖體的特性，其錨桿支護宜選用組合梁理論與懸吊理論相融合的方式；而兩幫因具有裂隙體的巖性特點，其錨桿支護宜選用擠壓加固和整體錨固相融合的方式。

4 不同錨桿支護方式的對比分析

下面通過FLAC3D數值模擬，分析不同錨桿支護方式下巷道圍巖的穩定性，以選擇合適的錨固方式。FLAC3D模擬參數來自工程中的數據。

4.1 支護方案

根據懸吊理論，頂板冒落拱高度1.9m，加之深入到穩定巖層的錨固長度以及外露長度，確定錨桿長度不宜小于2.3m。錨桿最大間距根據實際經驗和影響范圍，取1.0～1.2m。根據組合梁理論，頂板必須施加預應力錨桿，錨桿預應力確定原則為錨固區范圍內頂板不離層，巖層界面無拉應力[6]，根據參考文獻[7]的方法，確定頂錨桿預應力6t。對于巷幫，依據片幫深度1.6m，結合經驗確定幫錨桿長度不宜小于1.7m。依據擠壓加固理論，錨桿具有的擠壓加固力應使所形成的擠壓加固墻能承擔所對應的拱形載荷體的重量[8]，依此確定幫錨桿間距0.8m。根據整體錨固的思想，宜通過合理確定角錨桿角度實現頂、幫、底的整體聯結。

綜上提出三個支護方案，其中方案1為普通錨固方式，方案2和方案3為整體錨固方式。方案1：頂部4根錨桿，間距1.1m，長度2.4m，預應力6t；幫3根錨桿，長度1.7m，間距0.8m。方案2：頂部4根錨桿，間距1.1m，長度2.9m，預應力6t；幫4根錨桿，長度為1.8m，巷幫上下角錨桿分別錨固至頂底板，與水平方向成30°，間距0.8m。方案3：頂部5根錨桿，間距1m，中間一根3.4m，其余4根為2.4m，頂角處錨桿與垂直方向成30°，預應力6t；幫桿布置方式同方案2。

4.2 模擬結果及分析

數值模擬結果，如圖1至圖6所示。

圖1和圖2所示為方案1支護方式下巷道圍巖應力分布規律。從圖中可見，錨桿支護提升了錨固巖層應力，頂板呈現組合梁特征。錨桿錨固至圍巖內相對高應力區間，表明錨桿達到抑制其錨固范圍內巖體發生松動的效果，強化淺部圍巖的抗載性能。巷幫下部水平應力較上部偏小，說明幫下部應力釋放，有煤幫破壞的危險。

圖1 方案1水平應力

圖2 方案1垂直應力

圖3 方案2水平應力

圖4 方案2垂直應力

圖5 方案3水平應力

圖6 方案3垂直應力

圖3與圖4所示為方案2支護方式下巷道應力分布規律。由圖中可知，巷道圍巖淺部應力較方案1的淺部應力有了明顯改善，組合梁抗彎性能增強，錨固端區域圍巖應力提高，幫下部水平應力增加。圖5和圖6所示為方案3支護方式下巷道圍巖應力分布規律。從圖中看出，頂板組合梁抗彎性能進一步提高，巷幫承載能力同方案2。

綜上分析得出：(1)頂板錨桿施加預應力，有效長度≥2.3m，最小預應力≥6t；幫錨桿長度≥1.8m。(2)三種支護方案都提高了淺部圍巖的抗載能力，令其可以發揮組合梁基礎功能。巷道角部均有較高的應力集中，易出現失穩危險。(3)方案1巷道角部應力集中程度高，中間兩支頂板錨桿可能錨固在潛在的頂板冒落拱中，巷道角部弱化易發生片幫及垮幫現象，從而減弱兩幫支撐頂板的能力。(4)方案2與方案3中錨桿錨固端都深入至圍巖高應力區，將頂板潛在的拱形施載體懸吊在深部穩定巖層上，使其能夠充分發揮組合梁、懸吊等基本性能。兩種支護方式均布置了角錨桿，實現了頂、幫、角三者錨固體的有機聯合，減小了兩幫位移，強化了對深部巖體的制約作用。(5)巷道支護宜采用方案2或方案3的支護方式。

4.3 結果探討

以上模擬結果說明對于強頂弱幫巷道，頂板支護基本能達到工程要求，故巷幫的穩定性應為關注的重點，否則可能出現以下類型的破壞：一是兩幫層間由于滑動力比摩擦阻力大而沿頂、底板發生錯動；二是兩幫因垂直應力達到極值而出現壓縮破壞；三是頂、底板因兩幫支撐減弱而發生彎曲乃至破斷。其中，第一種屬小變形一般不會對巷道產生不利影響，但后兩種屬于松動變形破壞，有誘發圍巖產生連鎖式破壞、失穩的危險。

因此，在支護設計時應考慮巷幫有效控制的相關措施。措施之一是通過角錨桿參數的調整將頂、底、幫、角有機聯接成整體以提升幫結構的穩定性，該項措施的優越性已在模擬中體現。另一項措施便是提高幫錨支護力，可采取的方法有增加錨桿直徑、采用高強度錨桿、優化錨桿間距、適配托板等附件以及對幫錨施加預應力等。其中，因預應力錨桿可增加加固墻的強度，使錨固力提升，故應為優選方案。當然，有關預應力的定量確定還有待日后進一步研究。

5 結語

針對店坪煤礦強頂弱幫巷道頂板彎曲變形，兩幫擠壓片幫的變形、破壞特征，指出巷道頂板和兩幫應分別采取彈塑性穩定狀態和松動性穩定狀態的支護原則。基于此，通過模擬對比，提出巷道支護宜采用整體錨固的支護方式，即通過角錨桿的合理布置，將其形成的應力壓縮區與相鄰頂、幫錨桿形成的應力壓縮區有效重疊，使頂、幫錨固體形成整體錨固結構，以克服一般錨固結構存在角部薄弱環節的不足，一定程度上可阻止兩幫沿頂、底發生錯動而向巷道擠入，從而減小巷道變形，更大限度地改善錨固區圍巖的受力狀態，從而提高錨固結構的徑向剛度，增強錨固結構對深部圍巖的徑向約束，使巷道圍巖的穩定性得到改善。