張斌川 盧 輝 劉 路 盧志江 保天才 李煒強(qiáng) 王福利

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

深部巷道在構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力影響下，圍巖變形破壞機(jī)理十分復(fù)雜，巷道支護(hù)形式不合理或支護(hù)不匹配，導(dǎo)致支護(hù)效果差。而現(xiàn)有的錨桿支護(hù)材料大都強(qiáng)度低、剛度低、預(yù)應(yīng)力低和初期錨固力小，不能有效控制圍巖變形發(fā)展。因此，對不同支護(hù)形式下的巷道支護(hù)進(jìn)行對比試驗(yàn)研究有助于逐漸認(rèn)識巷道變形破壞機(jī)理，控制巷道圍巖變形和改善巷道支護(hù)效果。

本文以協(xié)莊礦1202E 運(yùn)輸巷為背景，針對現(xiàn)有巷道支護(hù)現(xiàn)狀，通過現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，對全螺紋鋼錨桿支護(hù)、淮北高強(qiáng)錨桿支護(hù)和高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)3 種支護(hù)形式在協(xié)莊礦1202E 運(yùn)輸巷進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，并對巷道支護(hù)效果進(jìn)行分析，為合理確定巷道支護(hù)形式提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

協(xié)莊礦1202E 運(yùn)輸巷位于新汶礦區(qū)，埋深1047m。該巷道沿2＃煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面形狀為梯形。該區(qū)域內(nèi)2＃煤層走向80°～90°，平均厚度2.4m，厚度穩(wěn)定，煤巖成分以半亮煤為主，硬度系數(shù) 為2～3，煤層傾角20°～26°，巷道巖層分布及巖性特征見表1。在該巷道內(nèi)采用水壓致裂地應(yīng)力測量方法進(jìn)行了地應(yīng)力測量。測量結(jié)果表明，該處最大水平主應(yīng)力為34.6 MPa，方向?yàn)镹12.5°E；最小水平主應(yīng)力為17.89 MPa，垂直主應(yīng)力為30.48 MPa。

表1 巷道巖層分布及巖性特征

2 理論分析

2.1 錨固前后煤體強(qiáng)度變化

國內(nèi)外學(xué)者對錨桿支護(hù)理論進(jìn)行了比較全面、系統(tǒng)的研究，大致形成了懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論、最大水平應(yīng)力理論等相關(guān)理論。盡管錨桿支護(hù)在不同地質(zhì)條件下作用機(jī)理可能不同，但錨桿支護(hù)能不同程度地提高錨固煤巖體的強(qiáng)度、彈性模量、凝聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。而且，錨桿能改善破碎區(qū)、塑性區(qū)內(nèi)煤巖石的力學(xué)性質(zhì)，提高煤巖體屈服后的強(qiáng)度。

2.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

為研究不同支護(hù)形式及參數(shù)在1202E 運(yùn)輸巷的支護(hù)效果，巷道采用了3種支護(hù)形式進(jìn)行對比試驗(yàn)。第一種為原巷道支護(hù)采用的全螺紋鋼錨桿，第二種為淮北生產(chǎn)的450號高強(qiáng)錨桿，第三種為高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿。

2.2.1 全螺紋鋼錨桿支護(hù)參數(shù)

巷道采用錨帶網(wǎng)及錨索聯(lián)合支護(hù)。頂板采用3600m 長的W 或M 型鋼帶，配10＃菱形鐵絲網(wǎng)（網(wǎng)片規(guī)格4000 mm×1000 mm）及6 根直徑為22mm全螺紋鋼錨桿，其中，兩肩窩處的錨桿長為2400mm，其余的長為2200mm，錨桿間排距750 mm×1000mm；兩幫各采用?20mm×2000mm全螺紋鋼錨桿配鋼絲繩梯子梁 （或鋼筋梯子梁、膠帶梯子梁）及塑料網(wǎng) （上幫網(wǎng)片3500 mm×1000 mm、下幫網(wǎng)片2000mm×1000mm）護(hù)幫，上幫4根錨桿，間距1000 mm，下幫3 根錨桿，間距1000mm，錨固方式為加長錨，每根錨桿使用兩根Z2835型樹脂錨固劑。菱形網(wǎng)及塑料網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格為50mm×50mm。

2.2.2 淮北高強(qiáng)錨桿支護(hù)參數(shù)

原支護(hù)參數(shù)不變，將全螺紋錨桿替換為淮北生產(chǎn)的450號高強(qiáng)錨桿，錨桿長度和直徑不變。

2.2.3 高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)參數(shù)

通過數(shù)值模擬分析，確定高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)桿體為25＃左旋無縱筋錨桿專用螺紋鋼筋，直徑25mm，長度2.4m，桿尾螺紋為M27。錨固方式采用樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為K2835，另一支規(guī)格為Z2860。采用W 鋼帶護(hù)頂護(hù)幫，鋼帶規(guī)格厚度5 mm，寬280 mm，長3800mm、3500 mm 和1800 mm。錨桿托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤，承載能力不低于400kN。采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格分別為4500 mm×900mm、3600mm×900mm 和1900mm×900 mm，網(wǎng)孔為50mm×50mm。高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)的錨桿數(shù)量、排列方式與全螺紋鋼錨桿、淮北高強(qiáng)錨桿相一致。

2.3 支護(hù)效果分析

2.3.1 巷道表面位移

圖1為不同支護(hù)形式條件下巷道表面位移觀測曲線圖。從圖1可以看出，3種錨桿支護(hù)形式對巷道圍巖變形的控制作用相差很大。其中，全螺紋鋼錨桿支護(hù)段巷道變形量最大，兩幫移近量高達(dá)779mm，兩幫移近速度達(dá)5.23mm／d，頂?shù)装逡平繛?30mm，頂?shù)装逅俣冗_(dá)6.24mm／d；淮北高強(qiáng)錨桿支護(hù)變形量有所減小，但減小的幅度并不大，兩幫移近量仍有507 mm，兩幫移近速度達(dá)3.40mm／d，頂?shù)装逡平?66mm，頂?shù)装逅俣冗_(dá)5.81mm／d。相比全螺紋鋼錨桿支護(hù)和淮北高強(qiáng)錨桿支護(hù)，高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)效果明顯改善，巷道兩幫移近量僅為173mm，兩幫移近速度僅有1.2mm／d，頂?shù)装逡平績H為281 mm，頂?shù)装逅俣葍H有1.9mm／d。因此，無論是頂?shù)装逡平窟€是兩幫移近量，高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)效果都明顯強(qiáng)于其他兩種支護(hù)方式，說明高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)能更有效控制巷道圍巖的變形。

圖1 3種錨桿支護(hù)巷道表面位移觀測曲線

2.3.2 巷道頂板離層

圖2為不同支護(hù)形式條件下巷道頂板離層觀測曲線圖。與巷道表面位移規(guī)律相似，3種錨桿支護(hù)形式中全螺紋鋼錨桿支護(hù)頂板離層量最大，最大值約為80mm，淮北高強(qiáng)錨桿支護(hù)頂板離層量次之，最大值約為57 mm，高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)離層量最小，最大值約4mm?？梢姼哳A(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)具有明顯的優(yōu)勢。

2.3.3 錨桿受力

在現(xiàn)場采用全螺紋鋼錨桿、淮北高強(qiáng)錨桿和高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿各5根進(jìn)行巷道支護(hù)試驗(yàn)，表2為運(yùn)輸巷在不同支護(hù)形式條件下巷道錨桿受力計(jì)數(shù)據(jù)，從表中可以得出全螺紋鋼錨桿和淮北高強(qiáng)錨桿的測力計(jì)數(shù)據(jù)上升很快，而高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿由于預(yù)緊力遠(yuǎn)大于其他兩種錨桿，高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿受力變化量較小且相對穩(wěn)定。高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿有助于將巷道圍巖錨固在一起，形成一個(gè)整體，從而抑制圍巖膨脹離層現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 3種錨桿支護(hù)頂板離層曲線

表2 錨桿受力計(jì)數(shù)據(jù)

從表2中可以看出，全螺紋鋼錨桿初始受力較小，安裝后受力增加很快，可能是受到巷道開挖的影響，錨桿在開挖一定時(shí)間后增長到屈服極限，之后緩慢增長到強(qiáng)度極限，在強(qiáng)度極限后出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，錨桿拉力減小，直至被拉斷；淮北高強(qiáng)錨桿受力變化幅度相對較小，但預(yù)緊力不高導(dǎo)致容易被拉斷；高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿由于安裝時(shí)錨桿受力較高，之后變化幅度較小，這是因?yàn)楦哳A(yù)緊力強(qiáng)力錨桿及時(shí)對圍巖提供了約束力。在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)高預(yù)緊力錨桿未達(dá)到屈服極限，從而杜絕了拉伸破壞的發(fā)生。

2.4 支護(hù)效果評價(jià)

全螺紋鋼錨桿由于強(qiáng)度低、剛度低、預(yù)緊力小，支護(hù)效果差，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃螄?yán)重；淮北高強(qiáng)錨桿雖然在錨桿受力和控制巷道變形方面有所改善，但由于預(yù)緊力不高，在深部高地應(yīng)力作用下仍不能有效控制頂板離層和兩幫位移，不能滿足支護(hù)要求；高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿具有強(qiáng)度大、剛度大、預(yù)緊力高的優(yōu)勢，能有效控制頂板離層和兩幫位移，頂板離層量小于10mm，底臌量在300mm以內(nèi)，兩幫移近量小于200mm，斷面收縮率由原支護(hù)條件下的45.5%下降為13.6%。同時(shí)，高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)還杜絕了錨桿拉伸破壞，實(shí)現(xiàn)了回采巷道一次成巷，巷道支護(hù)狀況發(fā)生了根本性的改變，支護(hù)效果得到大幅度改善。

3 結(jié)論

（1）巷道錨桿支護(hù)能不同程度地提高煤巖體強(qiáng)度、彈性模量、凝聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，改善破碎區(qū)、塑性區(qū)內(nèi)煤巖石的力學(xué)性質(zhì)，提高其屈服后的強(qiáng)度，使煤巖的破壞變得相對平緩。

（2）在深部高應(yīng)力條件下，原有的全螺紋鋼錨桿支護(hù)因?yàn)樽陨韽?qiáng)度、剛度、預(yù)緊力低，巷道變形破壞嚴(yán)重；淮北高強(qiáng)錨桿在錨桿受力和控制巷道變形方面有所改善，但在高地應(yīng)力作用下仍不能有效控制圍巖變形，不能滿足支護(hù)要求；高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿具有強(qiáng)度高、剛度大、預(yù)緊力大的優(yōu)勢，有效控制了頂板離層和兩幫位移。

（3）相比原有的全螺紋鋼錨桿支護(hù)和淮北高強(qiáng)錨桿，高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)杜絕了錨桿拉伸破壞，實(shí)現(xiàn)了回采巷道一次成巷，支護(hù)狀況發(fā)生了根本性的改變，有效改善了巷道支護(hù)效果。

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