典型地質條件深部巖巷錨桿長度的選擇

丁昌偉 吳德義

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽合肥 230601)

0 引言

巷道開挖時大量進行支護工作，支護工作不僅占用時間長，而且也與煤礦安全生產工作息息相關，運用錨桿(錨索)進行支護，不僅費用成本低，而且工作效率高，在支護強度方面也有強有力的保障，現如今已成為主流的支護方式，在工程實例中，工程技術人員普遍運用松動圈厚度理論來進一步確定錨桿(錨索)及其組合方式。本工程以淮北礦區許疃煤礦3238底抽巷為實例，采用Flac 3d軟件，在地質條件主要為砂巖的情況下，試驗將錨桿長度由原先的2 400 mm轉變為2 000 mm，觀察圍巖支護過程中產生的應力變形情況，選擇正確的支護參數［1］。

1 工程概況

巷道位于許疃煤礦3238底抽巷11 m～32 m處，地下部分的巖石種類存在有粉砂巖，細砂巖和泥巖，在巷道開挖支護過程中，排出的土質主要由粉砂巖，細砂巖和泥巖組成，泥巖表觀顏色為深灰色，巖石規格呈塊狀，斷面缺口參差不齊，在含有少量有機質的根部位置，巖石質地緊密，下部位置含有砂質成分，細砂巖外觀顏色為青灰色，巖石內部架構組分最高的為硬質石英［2］，巖石層理相互交叉，硅質部分相互膠結，粉砂巖，表觀顏色為灰色，巖石規格呈塊狀分布，斷面缺口呈現為平坦狀，少部分位置含有細砂質成分。巷道地面標高 ［25.42，25.82］，工作面標高［657.60，747.00］。

2 巷道圍巖力學性質測定

在現有的實驗室條件下，制作芯樣并進行選取，由實驗可得巖石彈性模量和泊松比等力學參數［3］。

2.1 巖石力學試驗程序

1)依據試驗條件，將試驗所需選用的巖石進行破碎切割，制作為直徑 50 mm，高徑比為 2 ∶1，1 ∶1 的試塊。

2)將原先準備好的試塊，按順序整齊的布置在承壓板的中心位置，調整帶有壓力板球形底座的高低位置，讓試件受均布荷載作用。

3)勻速的對試塊進行加載試驗，速度保持在0.5 MPa/s～1.0 MPa/s，試塊發生明顯變形時，得出試件破壞的荷載值及增加荷載時出現的表觀狀態。

4)根據每組試塊的個數進行單軸抗壓強度試驗，每組要求3組，單軸抗壓強度能夠一定程度上反映巖石抵抗外荷載的能力，從而得到試驗所需要的巖石力學參數。

2.2 現場實驗結果

由實驗室結果可得，砂巖的泊松比λ=0.25，彈性模量E=7.2 GPa，粘結力 c=4.0 MPa，內摩擦角為 30°。

3 工程分析

1)模型尺寸及邊界條件。

工程中關于連續介質模型的邊界條件有三種［4，5］，第一種被稱為應力邊界條件，巷道表面部分受到均布荷載和集中荷載的雙向作用，第二種被稱為位移邊界條件，注意邊界位置上是否存在位移變化，在邊界位置上如果未觀察到位移變化，則約束條件被滿足，第三種被稱為混合邊界條件，此時在一個方向出現已知力，位移變化存在于其他邊界位置上。在軟件模擬分析的過程中，邊界約束條件是我們必須要考慮的，我們在使用軟件模擬的過程中，要充分考慮到邊界條件與實際情況的差異，盡量模擬出與實際情況相類似的條件，以此來保證實驗結論的準確，盡可能在模擬條件下達到誤差的降低。與此同時，我們要有足夠大范圍的計算模型，保證分析的關鍵部位位于模型的正中部分。

2)支護方式。

淮北礦區許疃煤礦巷道周圍巖性為砂巖，為了能夠更好的起到約束作用，選用錨網噴射混凝土再加上錨索雙向受力進行補強，在雙重作用下增加圍巖的穩定性，再加入直徑20 mm長度為2 400 mm的高強度錨桿，兩根錨桿之間的距離為800 mm×800 mm。將冷拔帶肋鋼筋進行組合焊接，制作成為6 mm鋼筋網片，長寬為2 100 mm×900 mm，孔眼大小為150 mm×150 mm。使用長度6 200 mm，使用專業機具將半徑為8.9 mm的鋼絞線絞制成錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm，在巷道中頂及兩邊對稱均勻布置3根，如圖1所示。

4 數值模擬

4.1 錨桿長度選擇

如圖2所示，由數值模擬可得，巷道圍巖條件為砂巖時，錨桿長度l=2 400 mm偏大，因此選用長度l=2 000 mm的錨桿。

4.2 松動圈厚度理論

1)圍巖位移場數值模擬結果。

如圖3所示在O1O2方向，初始位置位移量最大，下降速度也最快，后期當巷道表面距離繼續增加時，位移量開始緩慢下降，兩者關系適用于回歸方程:

其中，k1，k2均為回歸方程系數。

采用最小二乘法回歸，可得:圍巖巖性為砂巖時，k1=27.0，k2=1.01。

由式(1)可得在距離巷道表面r位置，圍巖體積碎脹系數k為:

2)深部巷道圍巖破碎松動理論分析。

由式(2)可知，巷道表面距離r的變化與圍巖在O1O2方向不同位置圍巖體積碎脹系數k存在相互作用，其影響程度如圖4所示。

如圖4所示，巷道圍巖表面部分體積碎脹系數k值較大，表征圍巖破碎顯著，碎脹程度高。隨著巷道表面距離r的增加，圍巖體積碎脹系數k值下降的也越明顯，當k值縮減到臨界值kmin時，圍巖的狀態發生改變，由原先存在的松散剝落的表現形式逐漸轉化為內部存在裂隙的塑性表現形式，參考圍巖體積碎脹系數找到松散破碎區域的位置，由試驗結果可得:不同情況下臨界破碎時的體積膨脹系數可取為kmin=10.0 mm/m，由此確定松動圈厚度Lp。

圖2 圍巖支護變形情況

圖3 巷道表面距離—位移量關系圖

圖4 體積碎脹系數

根據圖2數值模擬結果，采用式(1)進行回歸分析得出的圍巖巖性為砂巖時回歸方程系數，巷道圍巖附近土質條件為砂巖時松動圈厚度Lp=1 100 mm。

3)錨桿長度的確定。

根據松動圈實測數據可得，巷道圍巖附近土質呈砂巖時，可以定為中等松動圈Ⅱ類穩定圍巖，依據松動圈理論來確定錨桿長度的數值，錨桿長度可由式(4)算得:

其中，Δl1為錨桿外露長度，取 Δl1=100.0 mm;Lp為松動圈厚度，取Lp=1 000.0 mm;Δl2為錨桿進入松動圈外長度，取 Δl2=300.0 mm。

未來開采過程中還會存在其他影響因素，松動圈范圍Lp增加，錨桿長度最大為l=2 000.0 mm。因此選用錨桿長度l=2 400.0 mm不太合理。

5 實驗結論

當圍巖周邊地質條件為砂巖時，錨桿長度由l=2 400 mm減少到l=2 000 mm。結果表明圍巖的位移變形量減小，由此可知適當減小支護過程中錨桿長度，有助于減少巷道支護關鍵工序的時間，故巷道周邊圍巖條件不同時，適當減小錨桿長度不僅受力合理，而且節約材料，具備實際的經濟價值。