張文成

(西山煤電股份公司 馬蘭礦，山西 古交 030205)

目前，煤巷布置已成為現(xiàn)代化大型礦井巷道布置的主要形式［1］。巷道圍巖變形破壞機(jī)理的研究不僅涉及到巷道的正常使用和維護(hù)，而且關(guān)系到勞動(dòng)作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備的安全。此外，認(rèn)為整體錨固理論是較適合煤巷的支護(hù)理論，故本文以煤巷為研究對(duì)象重點(diǎn)從整體錨固理論的適用性和幾何參數(shù)確定兩方面進(jìn)行探討和歸納。

1 巷道圍巖變形破壞機(jī)理

1.1 圍巖穩(wěn)定因素

1)巖層及地質(zhì)構(gòu)造。

軟巖巷道成巷后圍巖出現(xiàn)較大的塑性區(qū)、碎裂區(qū)，從而引起隨時(shí)間而持續(xù)大變形、擠壓破壞等現(xiàn)象，這也是軟巖巷道與硬巖巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的本質(zhì)區(qū)別。軟巖巷硐的表露部位如:頂部易出現(xiàn)潰落，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)側(cè)幫易出現(xiàn)擠入變形或崩曲破壞、底板底鼓等問題。巖體內(nèi)還存在大量伴生和盈利調(diào)整留下的后生弱結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面正是巖體中的薄弱部分，其力學(xué)強(qiáng)度與巖石母體材料相比，強(qiáng)度很小(不足1/10)。巷道如果穿過破碎帶、風(fēng)化帶等特殊地質(zhì)帶時(shí)，圍巖接近松散介質(zhì)，地下水也比較活躍，再加以較大的地應(yīng)力，則會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的地壓現(xiàn)象，不利于地下巷硐的長期穩(wěn)定。

2)地應(yīng)力。

開挖工作引起的應(yīng)力重新分布，超過圍巖強(qiáng)度或圍巖過分變形，就會(huì)造成煤巖地下工程失穩(wěn)。而應(yīng)力分布的最終結(jié)果是否會(huì)達(dá)到失穩(wěn)的程度要看原巖應(yīng)力的方向、量值以及性質(zhì)。目前，在對(duì)地應(yīng)力的探測、表述和工程應(yīng)用分析時(shí)存在著一定的誤區(qū):一是忽略了地應(yīng)力在不同巖層中的差異，二是混淆了同一巖層中不同層位地應(yīng)力的概念性闡述。

3)巖體力學(xué)性質(zhì)。

工程巖體的穩(wěn)定性主要視巖體的強(qiáng)度及變形特性與開挖后重新分布的圍巖應(yīng)力互相作用的結(jié)果而定。應(yīng)力狀態(tài)與圍巖強(qiáng)度包絡(luò)線的關(guān)系見圖1。圖1中3 條強(qiáng)度包絡(luò)線分別表示硬巖、軟巖及結(jié)構(gòu)面的包絡(luò)線。實(shí)驗(yàn)研究得出的強(qiáng)度包絡(luò)線通常只是單一巖層及某一結(jié)構(gòu)弱面的包絡(luò)線，而實(shí)際巖體工程圍巖的強(qiáng)度包絡(luò)線是兩者共同作用的綜合體現(xiàn)，居于兩者之間，但這一包絡(luò)線很難在實(shí)驗(yàn)室精確測得，所以，這也是地下工程的穩(wěn)定程度很難預(yù)測的一個(gè)客觀因素。硐室圍巖應(yīng)力重分布時(shí)，使部分巖體處于加載狀態(tài)，另一部分則處于卸載狀態(tài)，加載及卸載的曲線是不同的，應(yīng)分別加以運(yùn)用。

4)工程因素。

圖1 應(yīng)力狀態(tài)與圍巖強(qiáng)度包絡(luò)線的關(guān)系圖

工程因素主要是指巷道的方位、開拓布置、結(jié)構(gòu)尺寸(長、高、跨)、斷面形態(tài)、使用性質(zhì)(永久性或短暫性)、成巷工藝、支護(hù)形式及實(shí)施過程、礦山中周圍采動(dòng)影響、周圍其他工程活動(dòng)的影響等。工程因素眾多，且很多方面存在不確定性(如其他工程活動(dòng)的影響)，所以在考慮工程因素時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，爭取做到全面細(xì)致。

5)時(shí)間因素。

服務(wù)年限內(nèi)使用情況表明，許多圍巖破裂和結(jié)構(gòu)垮塌現(xiàn)象往往要經(jīng)過一段時(shí)間才開始顯現(xiàn)，有時(shí)是掘進(jìn)后幾天，有時(shí)是幾個(gè)月甚至幾十年后才明顯發(fā)生。只要能夠保證在巷道服務(wù)年限內(nèi)滿足使用要求，即可認(rèn)為巷道穩(wěn)定。當(dāng)然，時(shí)間因素是否要考慮也要看工程的性質(zhì)、要求、服務(wù)年限等。

1.2 巷道圍巖礦壓特征及圍巖控制原理

巷道的穩(wěn)定狀況是圍巖力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力以及支護(hù)方式等共同作用的最終結(jié)果。以西山煤電股份公司馬蘭礦新掘的36 條煤巷為例，在圍巖力學(xué)性質(zhì)相近，支護(hù)方式相同的前提下，有7 條煤巷出現(xiàn)不同程度的大變形特征，約占19%。根據(jù)巷道開挖后圍巖所處物性狀態(tài)(即穩(wěn)定狀況)可分為自穩(wěn)、彈塑性以及松動(dòng)破壞大變形狀態(tài)。煤巷圍巖多為煤巖、泥巖等軟巖，一般呈現(xiàn)出松動(dòng)變形狀態(tài)，其圍巖應(yīng)力分布見圖2。

圖2 支護(hù)力作用下彈塑性及破壞區(qū)應(yīng)力分布圖

由圖2 可以看出，松動(dòng)區(qū)圍巖已發(fā)生強(qiáng)度破壞而內(nèi)聚力降低，但在支護(hù)力作用下，其徑向和切向應(yīng)力均隨深度呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢(shì)。即越到深處，圍巖所受到的徑向約束越強(qiáng)，圍壓越大，切向所表現(xiàn)出的承載能力也越強(qiáng)?？梢姡谶m宜的支護(hù)手段下松動(dòng)變形圍巖仍可給深部圍巖提供一定的圍壓，增強(qiáng)深部圍巖的承載性能。因此，給松動(dòng)區(qū)圍巖以適當(dāng)控制，防止其發(fā)生垮落并保持相互擠緊的可傳力結(jié)構(gòu)狀態(tài)是煤巷支護(hù)的首要任務(wù)，也是促使圍巖保持穩(wěn)定狀態(tài)的前提。

煤巷屬于典型的層狀頂板巷道，在對(duì)頂板變形量的研究中，一直將頂板簡化為固支梁或簡支梁力學(xué)模型。但頂板的下沉變形除了自身彎曲外，還有上覆相鄰巖層間的離層變形。沿空巷道頂板巖層還會(huì)有明顯的非對(duì)稱錯(cuò)動(dòng)變形，變形量大的地方向采空區(qū)轉(zhuǎn)移。

2 整體錨固理論分析概述

2.1 整體錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)的適用性

破碎圍巖中錨固體的形成有賴于各個(gè)方向均能提供適當(dāng)擠壓約束。煤層巷道圍巖內(nèi)部由于存在較高的擠壓應(yīng)力場，故這種約束條件自然是滿足的。對(duì)于圍巖表面，則可通過護(hù)表構(gòu)件，如托盤、錨網(wǎng)、鋼帶等施加人工約束，甚至可以通過預(yù)應(yīng)力施加主動(dòng)約束。若是圍巖內(nèi)部不具備這種約束條件或通過某些措施仍不能形成此類約束條件，則錨固結(jié)構(gòu)將難以形成。這也說明在煤巷圍巖中若要保持巷道長久穩(wěn)固，就必須給圍巖提供一個(gè)約束環(huán)境和盡可能將主動(dòng)支護(hù)力最大限度地向深處擴(kuò)散傳遞。

可見，在工作面端頭附近，由于圍巖內(nèi)部相互間擠壓程度減弱，錨固結(jié)構(gòu)的承載性能將大幅度降低，因此，為保持巷道端頭附近的穩(wěn)定，須輔以其它方式的加強(qiáng)支護(hù)，如棚式支架、點(diǎn)柱、錨索等。

2.2 錨固結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)確定

1)確定錨固墻厚度的理論依據(jù)。

2)錨桿幾何參數(shù)的確定。

整體錨固理論是從頂板、兩幫和底板這3 者中最易出現(xiàn)失穩(wěn)的兩幫著手，重點(diǎn)提高兩幫穩(wěn)定性，從而強(qiáng)化巷道圍巖整體強(qiáng)度。對(duì)于高度為M 的巷道，兩幫錨桿長度可按以下方法確定，錨桿長度計(jì)算圖見圖3。

圖3 錨桿長度計(jì)算圖

式中:

L—錨桿長度，m;

l1—藥卷錨固長度，m;

l2—錨桿有效長度，m。

而:

式中:

b—錨桿間、排距，m;

α—錨固力影響角，(°);

l3—外露長度，m。

3 主要結(jié)論

1)本文從圍巖穩(wěn)定因素、地應(yīng)力、巖體力學(xué)性質(zhì)、工程及時(shí)間因素方面分析了煤巷圍巖破壞機(jī)理。

2)在工作面端頭附近，錨固結(jié)構(gòu)的承載性能將大幅度降低，為保持巷道端頭附近的穩(wěn)定，須輔以其他方式的加強(qiáng)支護(hù)，如棚式支架、點(diǎn)柱、錨索等。

3)就煤巷圍巖而言，若保持巷道長久穩(wěn)固，就必須給圍巖提供一個(gè)約束環(huán)境和盡可能將主動(dòng)支護(hù)力最大限度地向深處擴(kuò)散傳遞。

4)整體錨固理論通過將錨固墻厚度確定，進(jìn)一步使錨桿有效長度的計(jì)算量化。