高地應(yīng)力軟巖巷道錨網(wǎng)索拱協(xié)同耦合支護(hù)技術(shù)研究

王 博，王曉燕，黨林航

(1.寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué)，銀川 750021；3.中交通力建設(shè)股份有限公司，西安 710054)

對地下礦山的開采而言，巷道支護(hù)是影響礦山安全的關(guān)鍵因素。隨著開采深度的加大，巷道壓力增加，頂板圍巖條件日趨復(fù)雜，圍巖在開挖后較長時間內(nèi)難以穩(wěn)定，巷道維護(hù)困難，嚴(yán)重困擾煤礦的安全采掘。

錨桿支護(hù)作為一種主動支護(hù)方式，在控制圍巖變形、降低施工成本、改善作業(yè)環(huán)境方面具有明顯優(yōu)勢，但隨著深埋大變形巷道的日趨增多，錨桿支護(hù)在工程應(yīng)用中也存在著一定問題。在組成支護(hù)體系的各個構(gòu)件中，錨桿是最主要的作用構(gòu)件，但是隨著巷道埋深的加大，支護(hù)環(huán)境的復(fù)雜，僅僅依靠錨桿很難控制圍巖變形，需要與錨索、托梁、拱架等構(gòu)件組合使用，充分發(fā)揮錨桿對圍巖的主動支護(hù)作用。單仁亮等[1]研究表明通過錨索二次耦合支護(hù)調(diào)動深層圍巖的強度及底角錨桿來限制巖層移動避免巖體開挖之后進(jìn)一步破碎開裂，可以有效地控制圍巖的變形。何滿潮等[2]通過研究大變形巷道支護(hù)原理，表明錨網(wǎng)拱梁聯(lián)合支護(hù)最為適合大變形巷道。金志剛在深埋軟巖高應(yīng)力綜放回采巷道中采用錨桿、錨索支護(hù)技術(shù)，經(jīng)實踐證明，錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)適應(yīng)性強、支護(hù)強度高，能夠有效防止圍巖的變形，增加巖體支撐作用。由于高地應(yīng)力巷道支護(hù)的問題復(fù)雜，變形、破壞機(jī)理仍處于研究探索階段，雖然近年來在理論研究和工程實踐中取得了一定成果，但高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題依然是一項技術(shù)難題，研究高應(yīng)力軟巖支護(hù)技術(shù)將對我國礦山高應(yīng)力開采具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值[3]。

1 錨網(wǎng)索拱協(xié)同耦合支護(hù)技術(shù)

高地應(yīng)力軟巖巷道變形實際是巷道圍巖在應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形的結(jié)果。當(dāng)圍巖與支護(hù)體系出現(xiàn)力學(xué)特點不耦合，就會首先在巷道關(guān)鍵部位出現(xiàn)較大變形，最終導(dǎo)致支護(hù)體系整體失效。

錨網(wǎng)索拱協(xié)同耦合支護(hù)主要針對高地應(yīng)力軟巖巷道在關(guān)鍵部位所產(chǎn)生的塑性變形，通過在關(guān)鍵部位實施錨索二次耦合支護(hù)來限制圍巖產(chǎn)生較大變形，并結(jié)合強力拱架支撐，實現(xiàn)圍巖荷載均勻擴(kuò)散，提高巷道的整體穩(wěn)定性[4]。

軟巖巷道變形主要為塑性變形，巷道圍巖往往出現(xiàn)變形時間長、變形量大的特點。對軟巖巷道進(jìn)行支護(hù)，必須從“單點限制變形原理”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢w協(xié)同變形原理”。關(guān)鍵部位二次耦合支護(hù)的重點在于能否合理確定錨索支護(hù)的位置與時間，并準(zhǔn)確計算支護(hù)參數(shù)，確保支護(hù)構(gòu)件能在關(guān)鍵部位有效發(fā)揮作用，充分調(diào)動圍巖自穩(wěn)能力[5]。對關(guān)鍵部位實施錨索耦合支護(hù)的具體過程包括：巷道開挖后，及時施工錨網(wǎng)初次支護(hù)；通過巷道圍巖變形監(jiān)測，結(jié)合數(shù)值模擬分析與力學(xué)計算，準(zhǔn)確確定錨索作用的關(guān)鍵位置與施工參數(shù)；通過錨索在關(guān)鍵部位的支護(hù)作用，結(jié)合強力拱架支撐，使支護(hù)體系與圍巖最終達(dá)到耦合狀態(tài)，確保巷道施工安全。

2 實際工況

實際工況巷道埋深約310 m，煤層平均厚度13 m，煤層頂、底部破碎，特別是巷道頂板下沉量較大。煤層單軸抗壓強度為18.5 MPa，頂板單軸抗壓強度為55 MPa，底板單軸抗壓強度為32.5 MPa。巷道頂部和幫部為砂巖，巷道底部為砂巖或礫巖。巷道出現(xiàn)變形主要是由上覆巖層自重應(yīng)力及采空區(qū)動壓作用所造成，屬于典型高應(yīng)力大變形巷道。

采用鉆孔窺視儀對巷道進(jìn)行了原位測試。孔位垂直于頂板，深9.0 m，測試結(jié)果如圖1所示。

從頂部鉆孔的截圖可以發(fā)現(xiàn)，該巷道頂板圍巖分層明顯；在5 m范圍以外，裂縫數(shù)量較少，裂縫不明顯；在5 m范圍內(nèi)，裂縫出現(xiàn)較多，裂縫明顯變寬。在3 m范圍內(nèi)，巷道圍巖破碎明顯；在2 m范圍內(nèi)，巷道圍巖破碎進(jìn)一步加劇。

3 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)耦合支護(hù)理論公式，分別計算初次耦合支護(hù)參數(shù)和二次耦合支護(hù)參數(shù)。

3.1 初次耦合支護(hù)參數(shù)計算

1)錨桿長度計算

lg=lg1+lg2+lg3

(1)

式中：lg—錨桿長度，m；lg1—錨桿外露長度，取0.1 m；lg2—錨桿工作長度，m；lg3—錨桿黏結(jié)長度，取0.3 m。

大變形巷道中錨桿工作長度lg2按式(2)計算。

(2)

式中：b—巷道寬度，m；k1—抗拉安全系數(shù)，一般取3～5；Pd—頂板圍巖支護(hù)荷載，kN/m2；σt—巖體平均抗拉強度，MPa。

其中頂板圍巖支護(hù)荷載Pd按式(3)計算。

(3)

式中：Pd—頂板圍巖支護(hù)荷載，kN/m2；k—支護(hù)安全系數(shù)，一般取為1.2～2.0；L—圍巖承載長度，m；W—頂板內(nèi)圍巖重量，kN/m。

式(3)中圍巖承載長度L，頂板圍巖支護(hù)荷載Pd分別采用式(4)和式(5)計算。

(4)

式中：b—巷道寬度，m；h—直墻圓拱形巷道拱高，m。

W={[b+(h+mz)tanβ](h+mz)-bh}γ

(5)

按式(4)計算圍巖承載長度L長度為：

=1.57×2.5

=3.925 m

按式(5)計算頂板內(nèi)圍巖重量W為：

W={[b+(h+mz)tanβ](h+mz)-bh}γ

={[5+4.7×tan 27.5°]×4.7-3×2.5}×25

={7.444×4.7-7.5}×25

=687.17 kN/m

按式(3)計算頂板圍巖支護(hù)荷載Pd為：

=350.15 kN/m2

按式(2)計算錨桿工作長度lg2為：

=2.09 m

則按式(1)計算錨桿長度為：

lg=lg1+lg2+lg3

=0.1+2.09+0.3

=2.39 m

綜合考慮該巷道實際情況與類似工程經(jīng)驗，錨桿長度取2.5 m。

2)錨桿間排距計算

錨桿間排距按式(6)計算。

(6)

錨桿可以為直徑22 mm的Q235無縱筋螺紋鋼錨桿，破壞荷載[σb]取144 kN，錨桿間排距按式(6)計算為：

=0.64 m

考慮本巷道采用錨網(wǎng)索拱強力支護(hù)，參考類似巷道支護(hù)施工經(jīng)驗，錨桿間排距取700 mm。

3.2 二次耦合支護(hù)參數(shù)計算

1)錨索長度計算

ls=ls1+ls2+ls3

(7)

式中：ls—錨索長度，m；ls1—錨索外露長度，取0.3 m；ls2—錨索工作長度，m；ls3—錨索黏結(jié)長度，取1.3 m。

參考類似工程，錨索工作長度ls2可式(8)確定。

(8)

式中：b—巷道寬度，m；hi—巷道穩(wěn)定巖層下厚度，m；i—巷道穩(wěn)定巖層下巖體層數(shù)。

錨索工作長度ls2按式(8)計算為7.5 m。則錨索長度按式(7)計算為：

ls=ls1+ls2+ls3

=0.3+7.5+1.3

=9.1 m

2)錨索間排距計算

錨索間排距按式(9)確定。

(9)

式中：b—巷道寬度，m；γ—上覆巖體平均重量，kN/m3；[σa]—單根錨索的極限破斷力，取260 kN；k2—安全系數(shù)，一般取3～5。

錨索可以采用15.24 mm的鋼絞線，極限破壞荷載為260 kN，按式(9)計算。

=1.56 m

錨索排距按式(9)計算數(shù)值確定，錨索間距參考錨桿間距設(shè)計。錨索施加的時間應(yīng)在圍巖與錨桿錨固段之間巖層變形由急劇向緩慢轉(zhuǎn)化時，大約距工作面20 m。錨索施加的關(guān)鍵位置可采用數(shù)值模擬分析得出[6]。

4 數(shù)值模擬分析計算

為了進(jìn)一步明確錨索施加的關(guān)鍵位置，確定錨網(wǎng)索拱支護(hù)效果，采用有限差分軟件FLAC進(jìn)行數(shù)值模擬分析。以某高地應(yīng)力松軟破碎巷道為計算模型，用錨桿單元模擬錨桿、錨索，鋼拱架、金屬網(wǎng)通過公式計算折算為殼單元，梁與巖層之間設(shè)有接觸面，模型力學(xué)參數(shù)如表1所示[7]。

由圖2、圖3可知，巷道開挖后，圍巖應(yīng)力在洞壁處高度集中，原巖應(yīng)力狀態(tài)已被破壞，圍巖應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的二次重分布。當(dāng)塑性區(qū)產(chǎn)生后應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)持續(xù)變大，巷道頂部變形尤為明顯，直至應(yīng)力強度超過圍巖強度后，圍巖整體失穩(wěn)破壞[8]。

由圖4、圖5可知，巷道頂板采用錨桿、鋼筋網(wǎng)初次支護(hù)后頂板變形得到一定控制，但頂板變形仍然較大，為28.3 mm，塑性區(qū)主要集中在巷道頂板中線25°左右，特別是距前排錨桿支護(hù)后的0.5 m處是錨桿支護(hù)的薄弱區(qū)域，此區(qū)域應(yīng)視為錨索二次耦合關(guān)鍵位置區(qū)。

由圖6、圖7可知，在關(guān)鍵部位采用錨索協(xié)同支護(hù)后，巷道頂板變形量由28.3 mm下降至13.6 mm，配合鋼拱架使用后幫部、底板變形也得到了明顯控制，圍巖塑性區(qū)顯著減少。這表明施加錨網(wǎng)索拱協(xié)同支護(hù)后有效控制了巷道圍巖的變形，提高了圍巖的承載能力。

5 施工監(jiān)測

對該巷道目前采用的錨網(wǎng)索拱支護(hù)方案。其中頂部錨桿參數(shù)為Φ22 mm×2 500 mm。幫部錨桿參數(shù)為Φ22 mm×2 000 mm。錨桿間、排距為700 mm×700 mm。網(wǎng)片采用鋼塑復(fù)合網(wǎng)，網(wǎng)片參數(shù)為900 mm×2 200 mm。錨索采用7股低松弛鋼絞線，錨索參數(shù)為Φ15.24 mm×9 100 mm，排距為4根/3排，3排數(shù)量分別為2-1-1，同排間距為1 500 mm。鋼架為拱形可縮支架。

對該巷道進(jìn)行位移變形監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容有兩幫相對移近和頂板下沉量。巷道斷面收斂監(jiān)測采用收斂計，頂板離層監(jiān)測采用多點位移計。

通過圖8～10三個測站位移曲線圖可知頂板下沉量最大值為13.7 mm，兩幫移近量最大值57.3 mm，在巷道施工過程中，巷道圍巖變形經(jīng)過20～25 d逐漸達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，說明支護(hù)體系對試驗巷道起到了較好的支護(hù)效果。圖11中錨索受力最大值為157 kN，圖12中錨桿受力最大值為48 kN，說明錨桿、錨索的支護(hù)能力得到了充分利用，同時支護(hù)構(gòu)件仍具有較高的安全儲備。

6 結(jié)論

1)采用理論計算和數(shù)值模擬分析計算了工況巷道的圍巖變形破壞特征及錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)。該巷道錨索二次耦合關(guān)鍵位置在巷道頂板中線25°左右，距工作面20 m時應(yīng)及時安設(shè)錨索。

2) 高地應(yīng)力巷道錨網(wǎng)索拱支護(hù)體系可以有效地提高巷道淺部自穩(wěn)能力，巷道變形減小，圍巖和支護(hù)體系最終達(dá)到耦合狀態(tài)。

3) 現(xiàn)場支護(hù)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，錨網(wǎng)索棚協(xié)同耦合支護(hù)方案在高地應(yīng)力巷道應(yīng)用效果良好，頂板下沉量的最大值為14.7 mm，兩幫移近量最大值為57.3 mm，錨桿、錨索的支護(hù)能力在得到了充分利用的同時仍具有較高的安全儲備，為此類型巷道支護(hù)提供了參考。