沖擊巷道錨網支護參數優化研究

王美美，王金安

(北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

華亭煤田在開挖過程中時有微震現象發生，說明其深部采掘受到動壓影響。隨著開采深度的增加，動力現象出現的頻率有所升高，對巷道的影響也在加深，因此對巷道支護的研究僅限于靜力學條件下是不夠的，研究動力條件下巷道支護設計的具體參數和影響因素，對不同圍巖和開采條件下的巷道支護設計進行優化，確保煤礦開采過程中巷道的穩定和安全，為礦山安全提供一定的保障。

1 工程概況

華亭煤田位于陜甘寧盆地的西南邊緣，內部呈獨特的黃土丘陵地貌。礦區地處我國西部的南北地震帶范圍中，緊挨六盤山區。 華亭煤礦250104運輸順槽呈微弧拱形斷面，掘高為3.7 m，直墻高為3.2 m，掘寬為5.6 m，掘斷面積為19.78 m2；埋深為352 m。通過巖石力學試驗測得，上覆巖層平均容重為25.6 kN/m3，頂底板與煤層間內聚力為0.87 MPa，內摩擦角為32.17°。沖擊傾向性試驗表明，250104工作面煤層沖擊傾向性為強沖擊性，浸水軟化之后煤樣轉為弱沖擊性，說明煤巖在循環載荷下能量積累較多?，F場中煤巖破壞較為嚴重，煤爆聲比較頻繁，說明一方面煤巖在采動影響下能量不斷積累，另一方面積累的能量超過煤的抗壓強度而造成煤巖不斷破壞而釋放能量。由于受到區域構造應力的扭動作用，使得復式向斜的東、西兩小向斜分別向南、向北移動。受此褶皺構造的影響，華亭煤田構造應力異常，根據各礦實測，水平應力遠大于垂直應力，對強礦壓顯現起到主要的影響作用。

2 巷道支護理論計算

基于松動圈研究的支護理論[1]，不穩定圍巖(即松動圈大于1.5 m)宜采用組合拱理論進行支護設計。支護設計的主要思路是通過對松動圈的加固，提高松動圈的圍巖強度，進而改變巷道圍巖的受力形式和狀態，抑制巷道變形，降低巷道破壞幾率和程度。 經計算，250104運輸順槽平衡拱跨度為9.72 m，平衡拱高度為3.89 m，巷幫的破碎煤體深度為2.06 m。

2.1 錨桿支護參數的確定

1) 頂部錨桿長度[2-3]。錨桿材質采用20 MnSiV或20 MnSi熱軋鋼筋。對頂部錨桿的參數進行確定時，應遵循錨桿長度超過圍巖松動圈厚度的原則，故錨桿長度計算見式(1)。

L頂=Lp+Δl

(1)

式中：L頂為頂部錨桿的長度，m；Lp為圍巖松動圈的厚度，m；Δl為頂部錨桿的外露和失效長度，m，一般取Δl=0.4～0.6 m。

根據極限平衡理論[4]，在各向等壓的條件下，對于圓形巷道，其圍巖松動圈厚度計算見式(2)。

(2)

式中：Rp為塑性區半徑，m；R0為巷道半徑，取250104運輸順槽巷道斜邊的一半，m；γ為上覆巖層的平均容重，kN/m3；pi為支護阻力，MPa；c為頂底板與煤層之間的黏聚力，MPa；φ為頂底板與煤層之間的摩擦角，(°)；p為原巖應力，MPa；B1為巷道掘寬，m。

將R0=3.33 m，γ=25.6 kN/m3，p=γh=25.6×352=9.03 MPa，pi=0.5 MPa，c=0.87 MPa，φ=32.17°，B1=5.6 m，代入式(2)得：圍巖松動圈厚度Lp=2.25 m。為安全起見，取Lp=2.4 m，取Δl=0.4 m，則頂部錨桿長度L頂=2.8 m，滿足要求。

2) 兩幫錨桿長度。巷道兩幫的錨桿長度計算見式(3)。

L幫=hp+Δl

(3)

式中：L幫為幫部錨桿的長度；hp為巷幫煤體的破碎深度；Δl為幫部錨桿的外露長度，取0.3 m。所以，兩幫錨桿長度L幫=2.06+0.3=2.09 m，取L幫=2.4 m，滿足要求。

錨桿直徑取d=20 mm，間排距均取a=0.8 m，頂部布置10根，兩幫布置8根。

2.2 錨索支護參數的確定

1) 錨固長度[5]。采用國產通用鋼鉸線低松馳1860級，長度為7.3 m，直徑為20 mm，公稱面積為140 mm2，重量為1.10 kg/m，屈服荷載為248 kN，破斷荷載為260.7 kN。驗算錨固長度見式(4)。

La≥K/4×d1×(fct/fcs)

(4)

式中：La為錨索的錨固長度，mm；d1為錨索的直徑，取20 mm；fct為錨索的設計抗拉強度，取1 860 kN/mm2；fcs為錨索與錨固劑的設計黏結強度，取10 kN/mm2；K為安全系數，取K=2。

代入求得：La≥1 860 mm，選用1支K2335和2支Z2360低稠度樹脂藥卷作為錨固劑，Φ28 mm鉆頭打眼，滿足要求。

2) 錨索長度。按懸吊作用考慮錨索長度，則最小長度按非安全冒落計算見式(5)。

L>La+h+L外

(5)

式中：L外=0.3 m(按張拉千斤頂長度要求)；h=4.2 m(按懸頂煤層厚度確定)。

故：L>1.86+4.2+0.3=6.36 m。本設計建議采用長度為6.5 m的錨索，能夠滿足設計要求。

本設計建議采用Φ20 mm或Φ22 mm、1×19股加長錨固讓壓強力錨索。由于頂板破壞深度較大，根據設計規范，為了保證動壓巷道頂板的穩定性，錨索間距取1.0 m，排距取0.8 m。

3 動力學模擬初步分析

從鉆孔柱狀圖中截取部分地層(100 m×100 m)，并對用于模擬的地層基本信息進行適當簡化，各地層巖石力學參數見表1。其中第4地層為煤層，厚度約為36.6 m，傾角較小，忽略不計。

首先通過“config dyn”定義動態條件環境，建立208×251的模型網格，并對其進行區塊劃分，對地層單元參數按彈性模型賦值[6]。在建好的模型中模擬開挖，巷道底板位置為668 m處，寬5.6 m，兩幫高3.2 m。模擬動荷載在單位剖面上作用時間為0.13 s，動荷載頻率為30 Hz，動荷載系數為1.5，動載波形服從正弦曲線變化。

按照松動圈理論，開挖以后，巷道周邊的巖石發生塑性變形，并向巖石內部傳遞。動荷載條件下巷道周邊的破壞和變形分為：應力集中導致巷道周邊局部破壞，垂直向下的動荷載引起巷道周邊模型單元不同程度上向下的位移變形。巷道底部發生拉裂破壞，而頂部則發生剪切破壞。加上整體位移，頂板破碎較嚴重，如圖1所示。 經過理論計算對支護方案調整，模擬支護采用頂部8根長2.8 m、間距0.75 m的錨桿，3根長6.5 m、間距1.5 m、錨固長度為3 m的錨索，幫部各4根長2.4 m、間距0.715 m的錨桿，巷道尺寸及支護間距示意圖見圖2。圖3為巷道的支護后破壞區示意圖。

表1 地層巖石力學參數Table 1 Rock mechanics parameters of stratum

圖1 支護前巷道塑性區Fig.1 Plastic area before supporting

圖2 巷道尺寸及支護間距示意圖Fig.2 Roadway and supporting measurement

圖3 支護后巷道塑性區Fig.3 Plastic area after supporting

取巷道底板、頂板、左幫、右幫中點處作為測點1～4，測得各點支護前后的水平和垂直位移量見表2。其中，x方向相對位移量即指兩幫相對移近量(測點3和測點4的x方向位移之差)，y方向相對位移量即指頂底板相對移近量(測點1和測點2的y方向位移之差)。 可以看出，支護后水平方向、垂直方向位移量均有明顯減小，說明支護方案可靠有效。

4 全長灌漿錨固支護方案的匹配設計

在支護方案的確定過程中，錨桿的長度、直徑、間排距、數量和錨索長度、錨固長度、直徑、布置密度等都是影響支護效果的因素。本研究選取錨桿長度和錨索長度兩個因素作為研究變量。錨桿長度從3 m逐漸減小到1.8 m，每一級減小0.2 m；錨索長度則從6 m逐漸增大至8.4 m，每一級增加0.4 m。

對支護進行匹配的過程中，研究模型的破壞場(即塑性區)以及位移矢量場，并記錄測點所在單元水平方向和垂直方向上的位移量。此外，還可以從錨桿(索)的受力角度得到對應的軸力、軸應變分布圖，見圖4和圖5。

表2 動載下各測點位移量Table 2 Displacement of each point before and after supporting in dynamic condition

圖4 動載條件下錨桿(索)軸力圖Fig.4 Axial stress of cable or anchor i ynamic condition

圖5 動載條件下錨桿(索)軸應變圖Fig.5 Axial strain of cable or anchor i ynamic condition

1) 巷道周邊變形角度。當錨索長度固定時，錨桿長度的變化對巷道位移量，尤其是頂底板相對移近量有較大影響，如圖6所示。隨著錨桿長度的減小，頂底板相對移近量逐漸增大。相比而言，如圖7所示，固定錨桿長度，不同錨索長度對支護效果的影響較小，頂底板相對移進量差值都在2 mm以內。

圖6 不同錨桿長度下巷道頂底板相對移近量直方圖Fig.6 Displacement with different anchor length

圖7 不同錨索長度下巷道頂底板相對移近量直方圖Fig.7 Displacement with different cable length

2) 桿件受力和應變角度。為了進一步探明支護的作用，固定錨索長度，而錨桿長度變化，分別記錄各組合下錨桿(索)的軸力、軸向應變、桿端剪力以及桿端剪應變，從中選取軸力進行分析。類似地，固定錨桿長度，不同錨索長度條件下，可得到錨桿(索)的軸力，如圖8所示。隨著錨桿長度的減小，其自身軸力普遍呈現逐漸增大的趨勢，這時，主要考慮錨索的軸力大小，錨索軸力在錨桿長度為2.6 m時均較小，認為此長度為最適宜長度。隨著錨索長度的增加，錨索軸力卻呈現出減小的趨勢，錨桿沒有較統一的明顯變化。但考慮幾個軸力值較大的錨桿，錨索長度為7.2 m是較適宜的選擇。

5 預應力錨固支護

上述模擬是基于錨桿(索)均為全長灌漿錨固的結果。而近年來工程實際中預應力錨索得到越來越廣泛的應用。為了對預應力錨固效果進行研究，采用端部錨桿與預應力錨索結合的方式對巷道進行錨固模擬。調整錨固方式后，對于錨索長度固定為6.4 m的一系列組合，記錄各錨桿(索)軸力，并分析相同編號的錨桿(索)軸力直方圖，如圖9所示。對于錨桿長度固定為2.8 m的一系列組合，記錄各錨桿(索)軸力，并分析相同編號的錨桿(索)軸力直方圖，如圖9所示。

圖8 全長錨固錨桿、錨索軸力圖Fig.8 Axial force of full length anchor and cable

圖9 預應力錨固錨桿、錨索軸力圖Fig.9 Axial force of prestressed anchor and cable

不難發現，采用預應力錨索加端部錨桿相結合的錨固方式后，錨桿與錨索的軸力均有不同程度降低。另外，巷道周邊最大位移量也減小至130 mm左右。且調整錨固方式后，錨桿(索)的軸力變化均呈現出規律化，隨錨桿長度減小而趨向于單調變化。綜合各錨桿與錨索的軸力特點，理論上認為，錨桿長度為3 m時為最優。但在工程實際中，既要考慮安全，又要兼顧經濟，“錨桿越長越好”這一理論結果在方案設計中并不起決定作用，還需結合工程具體決定。在錨索長度變化時，其自身軸力隨長度增加而減小，而錨桿軸力則變化不一。考慮常用錨索長度以及經濟合理因素，認為6.4 m為錨索最優長度。

針對華亭礦區陳家溝煤礦“錨桿退、索斷裂”的情況，本文提出一種強壓巷道支護設計方法。該設計方法采用預應力錨桿(索)，并將錨桿長度提高為2.8 m，以使其深入圍巖塑性區范圍內；錨索長度減小為6.4 m，有效提高支護效果，減弱錨索所承受的應變能和系統動能，和錨桿形成較好匹配，減少斷裂的趨勢。長短結合，有效地提高圍巖穩定程度。

優化方案實施前，礦壓顯現造成多種嚴重破壞，包括頂底板破壞、煤巖體破壞、巖層離層滑移型破壞等。優化方案實施后，礦壓顯現造成大范圍頂板下沉的情況較少，巷道破壞主要表現為500 mm以下的底鼓，支護效果顯著提高。陳家溝煤礦2501采區強礦壓顯現造成的破壞總次數從實施之初的一年54次降低到一年14次，下降40次，下降率達74%。此外，陳家溝煤礦杜絕了重傷及以上人身傷亡事故，實現了全年不發生強礦壓重傷及其以上人身事故、強礦壓輕傷事故大幅減少、強礦壓對生產的影響時間顯著降低的安全生產。

上述分析也表明，錨桿長度與錨索長度并不能完全決定支護效果。事實上，應該對此課題進行多因素分析或主成分分析，找出對巷道支護最敏感的影響因素。通過這樣的后續研究，才可以真正做到安全、經濟、合理地指導巷道開挖支護。

6 結 論

1) 結合理論分析，在對錨桿、錨索聯合支護設計的基礎上，通過采用FLAC2D軟件進行數值模擬計算，對巷道進行動荷載作用下的開挖支護模擬，分析了支護前后圍巖位移變化情況，并對破壞機理進行分析，以頂底板相對移近量和兩幫相對移近量作為第一組指標，以錨桿(索)受力和變形作為第二組指標，對支護方案進行優化。根據模擬結果分析，錨桿適宜長度為2.8 m，錨索適宜長度為6.4 m。

2) 采用預應力錨索對控制巷道圍巖變形破壞和錨桿(索)受力方面有明顯的優越性。錨桿、錨索長短匹配的支護方案有效抵抗了礦壓顯現造成的嚴重破壞，支護效果顯著提高。

3) 建立在試驗數據模擬基礎之上的支護參數優化設計，綜合地質調查、設計、施工、監測等多種手段創新設計理念，突破以工程類比法為基礎的傳統設計方法，對監測到的試驗數據進行計算機模擬分析采取對策，增加了不同巖性條件支護的針對性。