大直徑鉆孔卸壓對圍巖強度與錨固力影響研究

李小彥，孫德全，謝風華，陳 鎣，王兆義，侯唐業

（1.山東省深部沖擊地壓災害評估工程實驗室，山東 濟南 250104；2.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 濟南 250104；3.遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000；4.梁寶寺能源有限責任公司，山東 濟寧 272404）

沖擊地壓防治是阻礙礦井安全生產的一道難題[1-2]，大直徑鉆孔卸壓由于其施工流程簡便，現已成為沖擊地壓防治的主流方法[3]；但卸壓鉆孔的施工會破壞圍巖完整性，造成圍巖體強度下降，影響支護強度[4]。賈傳洋等[5]利用實驗室試驗研究卸壓鉆孔孔徑、孔間距及孔深等參數對試件的影響，借助PFC軟件研究試件破壞形態；王猛等[6]通過數值模擬、理論分析及工業性試驗等方法，得到了深部鉆孔卸壓巷道的圍巖蠕變規律，并設計了巷道圍巖控制方案；蓋德成等[7]通過建立鉆孔卸壓的能量耗散模型，得到了鉆孔間距參數與煤體強度的關系；齊燕軍等[8]通過相似試驗得到不同卸壓孔直徑下煤柱破壞特征、強度特征及聲發射特性；劉紅崗等[9]利用數值模擬方法分析了鉆孔卸壓機理、巷道圍巖破壞、應力場、分布；李云鵬、張宏偉等[10-11]通過理論計算、數值模擬得出了忻州窯礦8939工作面鉆孔優化方案；朱斯陶等[12]提出了能量耗散指數的概念及該指數與沖擊能量指數之間的轉換公式；易恩兵等[13]運用FLAC軟件對軟、硬煤層鉆孔卸壓效果對比分析；蘭永偉等[14]研究了鉆孔直徑、鉆孔間距、煤體應力等對卸壓效果的影響。目前關于鉆孔卸壓的研究成果多集中于鉆孔卸壓機理、鉆孔布置參數和鉆孔卸壓效果的影響因素上，對大直徑鉆孔卸壓時的圍巖弱化特征以及鉆孔卸壓與巷道支護的相互影響關系的研究較少。如何在密集施工大直徑卸壓鉆孔的同時保證巷道圍巖穩定是礦井在實現安全生產時所亟待解決的一項技術難題。為此，結合梁寶寺煤礦實際，基于厚壁理論模型分析圍巖體弱化與錨固力間的關系；通過FLAC3D軟件進行數值模擬，分析大直徑卸壓鉆孔與圍巖強度關系，確定大直徑卸壓鉆孔對巷道圍巖強度的弱化程度；利用試驗室錨固力實驗確定卸壓鉆孔對錨桿支護錨固力的弱化程度，為確定及優化巷道支護參數提供科學依據。

1 圍巖體弱化與錨固力理論

自錨桿支護技術應用于現場以來，國內外眾多專家學者在不同角度、假設和理論的基礎上，對巷道錨桿支護機理進行了深入研究。其中，圍巖強度強化理論認為，錨固系統通過樹脂錨桿將錨固力從不穩定圍巖傳遞到穩定圍巖，提高了松散圍巖體的強度參數，使得圍巖整體強度得到提升[15]。

錨固力決定了錨固系統之間的應力傳遞能力[16]，在鉆孔卸壓后，由于兩幫煤體塑性變形，圍巖體強度變低，錨桿錨固力將會變弱，進一步導致巷道圍巖變形量增加。因此，研究現場圍巖強度在鉆孔卸壓條件下與錨桿錨固力大小的關系，是鉆孔卸壓與巷道錨桿支護關系分析的關鍵。錨固力的測量方法是短拉拔試驗，基于厚壁理論平面應變分析方法[17-18]，現場錨固系統、錨固體力學模型及錨固力實驗室試驗的對應關系如圖1，現場錨固系統包括錨桿、錨固劑以及圍巖，鉆孔圍巖的原生裂隙與承載破壞使得圍巖徑向剛度降低，進而影響錨桿錨固力；為研究圍巖剛度對錨固效果的影響，實驗室利用PVC、鋁、鋼等不同材料制作的套筒進行拉拔測試，模擬和分析不同圍巖剛度下的錨固力變化規律。

圖1 厚壁理論對應關系Fig.1 Correspondence of thick wall theory

通過在實驗室選取不同強度的套筒，例如鋼、鋁或PVC材料制作錨固試件，可測量不同現場圍巖強度條件下錨固力的演化規律，建立實驗室試驗與現場圍巖強度變化對應關系[19]。計算方法如下：a為套筒內圓半徑，b為套筒外圓半徑，p為套筒內部壓力，套筒截面如圖2。

圖2 套筒截面Fig.2 Section of sleeve

根據拉梅方程，可得到平面應力條件下套筒徑向剛度St和圍巖徑向剛度Sr：

式中：Et為套筒彈性模量；vt為套筒泊松比；a為套筒內圓半徑，即鉆孔半徑；b為套筒外圓半徑；Er為圍巖彈性模量；vr為圍巖泊松比。

通過等效徑向剛度式（1）和式（2），可對不同現場圍巖條件進行不同的實驗室試件設計，進而客觀反映鉆孔卸壓后錨固力的演化，為錨桿支護設計提供依據。

2 大直徑鉆孔導致圍巖強度弱化分析

通過數值計算方法得到大直徑卸壓鉆孔穩定后卸壓范圍內圍巖體的等效圍巖強度，該圍巖強度是巷道支護結構錨固力變化的核心要素。針對梁寶寺煤礦3320工作面煤壁150mm卸壓鉆孔，建立FLAC計算模型，模型大小：1.0m×1.0m；由對梁寶寺煤礦3#煤層的力學參數測試得到的材料參數取值見表1；約束條件：左右2個平面法向約束，下平面固定，上平面無約束；初始加載條件：根據梁寶寺煤礦3320回采巷道頂底板巖層地應力測試結果，得到左右水平應力16MPa，上平面豎直應力20MPa。

表1 材料參數取值Table1 Material parameters

具體模擬步驟與結果如下：

1）模型首先采用彈性模型、小變形，運行穩定后位移清零，將模型改為摩爾庫倫準則和大變形，并從中心挖出半徑為75mm的孔進行計算，記錄塑性變形元素，圍巖強度計算模型如圖3。對模型進行豎直方向加載，根據計算，大直徑卸壓鉆孔在孔口處塑性邊界約為100mm。大直徑鉆孔后圍巖強度關系如圖4。得到的加載后模型應力-位移關系如圖4黑線。

圖3 圍巖強度計算模型Fig.3 Calculation model of surrounding rock strength

圖4 大直徑鉆孔后圍巖強度關系Fig.4 Strength relationship of surrounding rock after large diameter drilling

2）為得出鉆孔卸壓后的圍巖弱化程度，可通過返回未鉆孔計算模型，通過減少模型材料的剪切模量G、體積模量K參數使圍巖強度弱化，得到弱化后的未鉆孔圍巖體的應力-位移曲線，使之與鉆孔卸壓后的圍巖體曲線進行對比，當二者曲線變化形式一致時，即可確定大直徑卸壓鉆孔對巷道圍巖強度的弱化程度。

根據該方法，通過逐步調整模型材料體積模量與剪切模量2個參數使圍巖強度降低，進行相同的豎直方向加載，得到模型的豎直應力-圍巖位移曲線并進行對比，發現當參數降低至20%～25%時（圖4紫線、紅線），未鉆孔圍巖與鉆孔圍巖的曲線變化形式基本相同，故可得到梁寶寺煤礦3320巷道鉆孔卸壓后其圍巖等效強度約為未挖孔圍巖體的75%～80%，即鉆孔卸壓后圍巖強度約減弱20%～25%。

3 實驗室錨固力試驗

3.1 錨桿抗拉實驗與錨固劑參數測試

試驗錨桿為梁寶寺煤礦使用的礦用等強錨桿，將其切割為350mm的桿體試件，利用試驗機測試其拉拔力，錨桿桿體抗拉測試結果見表2。由試驗結果可知，試驗所用的螺紋鋼錨桿拉拔力為189kN、抗拉強度為601MPa。

表2 等強錨桿試件拉拔試驗結果Table2 Pull out test results of equal strength bolt

利用梁寶寺煤礦現場使用的錨固劑制作成標準試件進行錨固劑力學性能測試。試件分別置于試驗機上進行抗壓和抗剪測試，其中抗壓試件選擇直徑50mm、長100mm的圓柱體，抗剪試件選擇棱長為50mm的立方體，錨固劑抗壓和抗剪力學參數見表3和表4。根據表3和表4結果擬合得到的剪切強度曲線如圖5，計算得到錨固劑黏聚力12MPa，內摩擦角為21°。

表3 錨固劑抗壓力學參數Table3 Mechanical parameters of compressive resistance of anchorage

表4 錨固劑抗剪力學參數Table4 Mechanical parameters of shear resistance of anchorage

圖5 錨固劑剪切強度曲線Fig.5 Shear strength curves of anchorage

3.2 不同材質套筒下的錨固力測試試驗

不同剛度的圍巖可用不同材料、壁厚的套筒進行模擬，制作不同材質套筒的錨桿拉拔試件可用于研究錨固力與套筒徑向剛度的關系[20]。在進行大直徑鉆孔卸壓后圍巖強度會發生改變，為研究大直徑鉆孔卸壓與巷道支護關系，基于文獻［20］所述方法，采用不同強度材質的套筒模擬鉆孔卸壓后圍巖強度的變化，并制作拉拔試件以便后續進行錨固力和套筒徑向剛度的量化分析。將試驗錨桿依次錨固于PVC、6061鋁和20#鋼制作的4種類型套筒中，套筒與試件類型如圖6，每一類試件各制作3個，恒溫（23℃）養護24h后進行拉拔測試。

圖6 不同材料和尺寸的套筒Fig.6 Sleeves of different materials and sizes

測試的載荷-位移曲線如圖7，拉拔試件的平均錨固力及標準差見表5，從表5的錨固力均值數據可以看出，對于梁寶寺巷幫錨桿，試件的錨固力均值分別增長了48.0 %、23.3 %、8.8 %，由此可得大直徑卸壓鉆孔施工使得圍巖強度降低，巷道錨桿支護錨固力下降，導致錨固效果變差。

圖7 拉拔測試曲線Fig.7 Pull out test curves

表5 拉拔試驗數據Table5 Pull out test data

4 錨固力弱化分析

將套筒參數代入式（1），得到4種套筒的徑向剛度，套筒徑向剛度計算結果見表6，進而得出錨桿試件的平均錨固力與徑向剛度的關系。錨固力與圍巖徑向剛度關系如圖8。

表6 套筒徑向剛度計算結果Table6 Calculation results of sleeve radial stiffness

圖8 錨固力與圍巖徑向剛度關系Fig.8 Relationship between anchoring force and surrounding rock radial stiffness

通過對4種外形尺寸的錨桿實驗數據進行擬合，分別得到梁寶寺煤礦錨桿的錨固力與圍巖徑向剛度的擬合曲線表達式為：

式中：Fp為錨固力，kN；S為徑向剛度，GPa/mm。

式（3）決定系數R2=0.96 ，故可認為，公式能夠較準確描述錨固力與圍巖徑向剛度變化的關系。

通過圖8及式（3）可以看出，對于錨桿支護，隨著大直徑卸壓鉆孔的施工造成圍巖體強度下降，錨桿支護系統的錨固力也隨之降低。由于未鉆孔圍巖體其彈性模量為E=1.0GPa，通過數值模擬得到鉆孔卸壓后圍巖強度降低20%～25%，根據圖8分析結果，結合式（2）、式（3），計算出圍巖弱化后的徑向剛度，得出錨固力弱化量約為10%，故為達到等效巖層控制能力，得出對于有卸壓鉆孔的巷道支護設計其錨桿錨索支護強度應為無卸壓鉆孔巷道支護的1.10 倍。

5 結 論

1）通過FLAC3D軟件計算大直徑卸壓鉆孔與圍巖強度關系，得到梁寶寺煤礦3320巷道鉆孔卸壓后圍巖強度約減弱20%～25%；基于錨固力試驗的試驗結果，得出該煤礦所用錨桿抗拉強度約為189kN；錨固劑黏聚力為12MPa，內摩擦角為21°；巷道錨桿支護的錨固力隨圍巖強度變化而變化，平均錨固力介于55.4～110kN之間，由此結果可知卸壓鉆孔的施工會導致圍巖強度降低，進而使錨桿支護的錨固力下降。

2）通過等效徑向剛度公式，對不同材質套筒下的錨固力進行測試，得出結論：對于梁寶寺煤礦直徑150mm卸壓鉆孔，錨固力弱化約為10%，為保持等效的圍巖控制程度，支護強度設計應為無卸壓鉆孔時的1.10 倍。