王武軍

摘要：根據(jù)對(duì)礦壓觀測(cè)及軟弱巖體的力學(xué)行為特征，分析了煤巷兩幫的主要破壞失穩(wěn)形式，并探討了煤巷片幫類型錨網(wǎng)錨固機(jī)理，以及錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理分析，提出了形成厚、 寬比大于薄板的錨固墻（或錨固塊）的錨桿支護(hù)觀點(diǎn)，并據(jù)此給出了錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)，數(shù)值模擬計(jì)算了U鋼支護(hù)的位移和塑性區(qū)量變程度，對(duì)比分析提出了煤巷提高支護(hù)強(qiáng)度的合理化建議。

關(guān)鍵詞：錨桿 錨網(wǎng)支護(hù) 數(shù)值模擬

0 引言

由于焦煤集團(tuán)方莊一礦四級(jí)軌道前期受采動(dòng)影響，礦壓顯現(xiàn)突出，造成巷道支架部分柱腿扭曲損壞，頂梁折損，上拱，巷寬收縮，水溝、臺(tái)階被擠毀，不同程度地出現(xiàn)了位移、變形、開(kāi)裂、片幫、底臌等破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行人通車，危及安全和施工進(jìn)度，雖經(jīng)多次返修維護(hù)，但仍然難以保持穩(wěn)定。為了尋求合理的支護(hù)方式，通過(guò)礦壓觀測(cè)分析，對(duì)巷道圍巖卸壓控制及數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)比，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)該巷道提出合理化支護(hù)建議，以有效控制巷道斷面變形和支架穩(wěn)定。

1 巷道兩幫的破壞形式及錨桿錨索支護(hù)

1.1 巷道兩幫破壞形式

由于四級(jí)軌道為煤巷，兩幫側(cè)壓較大，巷寬收縮變形嚴(yán)重，在礦山壓力作用下尚未徹底破壞，且與層理垂直的裂隙又較發(fā)育的煤體，被揭露后將失去橫向約束，其應(yīng)力狀態(tài)也將處于雙向應(yīng)力狀態(tài)。此時(shí)，煤壁受支承壓力的影響會(huì)發(fā)生壓裂式破壞，產(chǎn)生劈裂式片幫。支承壓力和裂隙的分布、煤體強(qiáng)度等都可能影響片幫深度。

1.2 破碎兩幫錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)原理

根據(jù)裂隙體及破碎體的巖性特征，破碎兩幫錨桿支護(hù)宜采用擠壓加固和整體錨固相結(jié)合的方式。即通過(guò)錨、網(wǎng)作用使兩幫中形成具有一定承載能力的擠壓加固墻。若將兩幫頂、底角的錨桿傾斜布置，使頂、幫錨固體及底板形成整體承載結(jié)構(gòu)，還可減小兩幫位移，增強(qiáng)錨固體對(duì)深部巖體的約束作用。

1.3 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理分析

在深部大變形巷道中，巷道圍巖的變形破壞過(guò)程對(duì)錨桿的工作性能產(chǎn)生的影響最大。錨桿（索）提供的錨固力通過(guò)黏結(jié)劑作用在圍巖上，從而限制圍巖的移動(dòng)變形。錨固方式的不同必然會(huì)影響荷載在錨桿中的傳遞機(jī)理，所以既不能離開(kāi)圍巖和圍巖變形去分析研究錨固力和錨桿支護(hù)問(wèn)題，也不能離開(kāi)錨固力去分析研究圍巖變形問(wèn)題。因此，對(duì)錨桿與圍巖相互作用關(guān)系進(jìn)行深入研究，必須符合這一規(guī)律。

1.4 錨桿錨索支護(hù)方案的確定

巷道頂、幫的控制應(yīng)遵循不同的支護(hù)原則：頂板控制應(yīng)遵循使圍巖處于彈塑性穩(wěn)定狀態(tài)的支護(hù)原則，兩幫控制應(yīng)遵循使圍巖處于松動(dòng)性穩(wěn)定狀態(tài)的支護(hù)原則。巷道頂、幫的錨桿支護(hù)應(yīng)依據(jù)不同錨桿的支護(hù)原理：頂板錨桿支護(hù)應(yīng)依據(jù)組合梁理論和懸吊理論進(jìn)行；兩幫錨桿支護(hù)宜采用擠壓加固和整體錨固以及噴射混凝土相結(jié)合的方式進(jìn)行。從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到巷道頂板和兩幫煤體的淺部出現(xiàn)了拉應(yīng)力，根據(jù)無(wú)拉應(yīng)力準(zhǔn)則判定，該區(qū)域最有可能的破壞方式是彎曲拉伸破壞。巷道角部的剪應(yīng)力比較大，巷道角部圍巖最有可能的破壞方式是剪切破壞，可能會(huì)導(dǎo)致頂板剪切冒落。因此，頂角部錨桿宜采用傾斜布置。

支護(hù)方案為：錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋梁與錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)。

2 U鋼棚支護(hù)效果數(shù)值模擬

2.1 模擬的目的

依據(jù)焦作集團(tuán)方莊一礦煤巷地質(zhì)條件，模擬在不同的形式下巷道圍巖的位移、應(yīng)力分布及圍巖塑性區(qū)大小等情況，最終選擇出最佳的支護(hù)方式及其合理的支護(hù)參數(shù)。

2.2 模型構(gòu)建

模擬的對(duì)象是在相同的地質(zhì)條件下不同支護(hù)形式支護(hù)的巷道。巷道位于煤層中，用泥巖、砂質(zhì)泥巖、中砂巖做頂板，砂質(zhì)泥巖、中砂巖、粉砂巖和硅質(zhì)泥巖等做底板。另外，為便于計(jì)算，數(shù)值模擬中的模擬對(duì)象宜選用最厚的巖層，同時(shí)把厚度較小但巖性相近的巖層劃為同一層。每種支護(hù)形式按煤層中間進(jìn)行布置計(jì)算。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及計(jì)算分析

從圖1可以看到，煤層中間布置時(shí)，最大底臌量250mm，頂板下沉量最大值178mm。這是因?yàn)槊簩訌?qiáng)度小于頂?shù)装鍘r石的強(qiáng)度，布置在煤層中的巷道，頂?shù)装逍再|(zhì)均勻，位移量相差最小，由于強(qiáng)度較低，位移均達(dá)到了160mm以上，說(shuō)明在此地質(zhì)條件下，巷道位置對(duì)圍巖變形量影響較大，圍巖變形量最小；巷道圍巖位移大于50mm的范圍在頂板上方隨巷道的不同而發(fā)生明顯的變化，巷道在煤層中布置時(shí)50mm等值線距巷道頂板為7m，距巷幫的距離為10m左右，距巷道底板為3.2m，說(shuō)明巷道頂板越堅(jiān)硬，頂板上方深部圍巖出現(xiàn)大形的范圍的越小，而對(duì)巷幫和底板深部圍巖的位移影響不大，主要是因?yàn)橄锏缊?jiān)硬頂板的殘余強(qiáng)度較大，巖體雖然破碎，但是自承能力較強(qiáng)，因此頂板深部圍巖變形量較小

從圖2看出，在外扎腿U型棚支護(hù)后，有效控制了巷道附近及深部圍巖的位移量，表面最大位移在底板控制在90mm，頂板50mm左右，距底板以下超過(guò)6m的圍巖整體下移，位移量小于15mm，頂板深部圍巖上方高10m、寬7m的范圍內(nèi)位移量約為50mm～70mm，超過(guò)此范圍位移量小于15mm，表明巷道圍巖的受力狀態(tài)因支護(hù)結(jié)構(gòu)而發(fā)生改變，圍巖強(qiáng)度大大提高。

巷道圍巖塑性區(qū)大小是影響其穩(wěn)定性的重要因素。塑性區(qū)是巷道在巷道開(kāi)挖后，圍巖運(yùn)移及應(yīng)力重新分布的最終也是最直接的結(jié)果。無(wú)支護(hù)時(shí)，塑性區(qū)范圍頂?shù)装宕笥趦蓭停豁敯宓氖芾瓎卧秶源嗽龃?，與距巷道頂板相距約1m。安裝支護(hù)結(jié)構(gòu)后能夠有效控制巷道塑性區(qū)擴(kuò)張，且巷道頂板基本沒(méi)有受拉單元，這表明安裝的支護(hù)結(jié)構(gòu)大大提高了圍巖強(qiáng)度，同時(shí)避免了巷道表面及深部圍巖向開(kāi)挖空間的運(yùn)移。

外扎腿U型棚支護(hù)時(shí)，巷道位于煤層中間，底板位移在95mm左右，頂板位移值42mm，巷道支護(hù)效果最好。同時(shí)支護(hù)巷道頂板及深部圍巖的受力均勻，應(yīng)力集中系數(shù)較小，在同等條件下，這種支護(hù)方式塑性區(qū)范圍最小。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)煤巷錨固理論研究和礦壓觀測(cè)實(shí)驗(yàn)分析，以及對(duì)U鋼巷道無(wú)支護(hù)形式和外扎腿U鋼支護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算得出以下結(jié)論：

①根據(jù)煤巷兩幫破壞形式和錨桿錨索支護(hù)機(jī)理分析，確定了煤巷錨桿錨索支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)，采用錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋梁與錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)行之有效，對(duì)兩幫收縮嚴(yán)重區(qū)域松幫卸壓，同時(shí)采用確定的錨網(wǎng)支護(hù)方案，對(duì)圍巖變形控制起到了良好作用。

②通過(guò)U鋼支架對(duì)煤巷數(shù)值模擬，采用外扎腿U鋼支護(hù)能有效控制圍巖變形，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，該支護(hù)形式合理。

③對(duì)于焦煤方莊一礦四級(jí)軌道嚴(yán)重變形巷道，圍巖破碎，單純的U鋼支護(hù)和錨網(wǎng)支護(hù)已不能滿足支護(hù)強(qiáng)度，宜采用上述較合理的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)+U型鋼支護(hù)，并進(jìn)行噴漿，注漿加固。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃偉洪，路世豹等.錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009.

[2]林崇德.層狀巖石頂板破壞機(jī)理數(shù)值模擬過(guò)程分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999.

[3]馬晉元，張召千等.全煤巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)研究[J].太遠(yuǎn)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[4]賈俊峰.煤巷片幫類型及錨固機(jī)理研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.

[5]侯朝炯.煤巷錨桿支護(hù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[6]楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)原理[M].煤炭工業(yè)出版社，2004.