鄧 磊，東兆星

（中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

煤巷復(fù)合層頂板長短錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究

鄧 磊，東兆星

（中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

針對普通等長錨桿在煤巷復(fù)合層頂板應(yīng)用中的缺陷進(jìn)行了長短錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的研究?；谏轿鞣谖鞯V區(qū)中興礦材料巷道設(shè)計七種聯(lián)合支護(hù)方案，采用FLAC3D數(shù)值分析軟件模擬不同工況下巷道支護(hù)。得到了在巷道頂板中部布設(shè)長錨桿受拉能有效控制表面位移、改善圍巖應(yīng)力分布，外側(cè)布設(shè)短錨桿承受剪力能阻止層間滑動，節(jié)省支護(hù)成本的結(jié)果。結(jié)果與原工況的對比證明了長短錨桿在復(fù)合層頂板支護(hù)中能滿足預(yù)期的要求，且采用DCC組合時支護(hù)效果與原工況最接近的結(jié)論。對長短錨桿的作用機(jī)理的推測為聯(lián)合支護(hù)的應(yīng)用提供了參考。

復(fù)合層頂板；長短錨桿；聯(lián)合支護(hù)；數(shù)值模擬

錨桿支護(hù)研究是地下工程的一個熱點(diǎn)，普通錨桿支護(hù)時通常設(shè)計為等長錨桿的形式。但在山西汾西礦區(qū)特別是中興礦材料巷道支護(hù)的過程中發(fā)現(xiàn)了等長錨桿的局限性。在巷道頂板為復(fù)合層頂板的復(fù)雜地質(zhì)條件下，當(dāng)全部采用長錨桿進(jìn)行支護(hù)時，掘進(jìn)時間與支護(hù)時間嚴(yán)重不匹配，錨桿支護(hù)花費(fèi)的時間長，成本高，而當(dāng)全部采用短錨桿進(jìn)行支護(hù)時，又由于錨桿長度較短無法深入到復(fù)合層頂板中的較堅硬巖層中而導(dǎo)致支護(hù)效果不理想，且存在著較大的安全隱患，因此等長錨桿并不適用。同時在另一些復(fù)合層頂板工程施工中也遇到了普通等長錨桿支護(hù)的文圖。如姚橋礦［1］綜采工作面工程中，錨桿由于施工條件的限制，長度不足以穿越煤層錨固到堅固圍巖，特別是在頂板破碎發(fā)育的巷道區(qū)段，錨桿無法承擔(dān)荷載。趙固礦［2］采掘工程中為了解決工作斷面的支護(hù)問題，采用錨桿錨索組合支護(hù)技術(shù)。王志剛等［3］研究了可接長錨桿及其在復(fù)合層巷道頂板支護(hù)中的應(yīng)用，王飛等［4］研究了復(fù)雜頂板條件下可接長錨桿在高應(yīng)力軟巖巷道中的讓壓支護(hù)技術(shù)，賈東修等［5］對拱形斷面復(fù)合層頂板的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行了研究。這些研究和工程問題都說明在復(fù)合層頂板這一特殊工程條件下普通等長錨桿應(yīng)用的局限性。

針對復(fù)合層頂板這一復(fù)雜地質(zhì)條件下支護(hù)困難，圍巖易破壞等特點(diǎn)。本文采用長短錨桿支護(hù)復(fù)合層頂板，利用錨桿長度的差異化來實(shí)現(xiàn)加固圍

巖，保護(hù)圍巖的穩(wěn)定性。以中興礦材料巷道為研究對象，對長短錨桿的聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行了模擬仿真，并將模擬結(jié)果與原工況等長錨桿支護(hù)效果進(jìn)行對比，證明了長短錨桿在復(fù)合層頂板支護(hù)的優(yōu)越性。

1 工程概況

中興礦某材料工作面材料巷道頂、底板巖性見表1，巷道平均傾向?yàn)?°，巷道斷面設(shè)計為矩形，原采用等長錨桿、鋼筋托梁的支護(hù)形式，巷道掘進(jìn)寬度為4200mm，高度為2700mm。實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)復(fù)合層頂板地質(zhì)情況復(fù)雜，采用加長錨桿長度以確保安全，導(dǎo)致支護(hù)方案錨桿支護(hù)花費(fèi)的時間長，成本過高。

2 聯(lián)合支護(hù)研究

針對上述工程問題，對復(fù)合層頂板采用不同長度錨桿組合形式進(jìn)行試驗(yàn)。錨桿布置如圖1所示，對稱巷道頂板共設(shè)置六根錨桿，取中點(diǎn)左側(cè)錨桿組合為例，其形式如表2所示，其中長錨桿取2.2m，記為C，短錨桿取1.7m，記為D。監(jiān)測內(nèi)容見表3。

圖1 錨桿示意圖

表2 錨桿組合形式

表3 巷道監(jiān)測內(nèi)容

2.1 模型的建立

巷道開挖模型見圖2，邊界條件見圖3。

2.2 模擬參數(shù)設(shè)定

采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，巖石參數(shù)取自該礦地質(zhì)資料和項(xiàng)目驗(yàn)收報告見表4。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 位移結(jié)果分析

關(guān)鍵點(diǎn)示意圖如圖4所示。

圖2 模型示意圖

圖3 邊界條件示意圖

表4 巖石的材料參數(shù)

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)示意圖

2.3.1.1 頂部沉降分析

沉降分析選取薄弱點(diǎn)巷道頂板中點(diǎn)、矩形巷道角點(diǎn)為關(guān)鍵點(diǎn)K1、K2。前者是一般巷道沉降最大值點(diǎn)，后者是偽頂與煤層的分界點(diǎn)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中與位移突變，另取數(shù)值模擬的位移最大值為關(guān)鍵點(diǎn)K3。關(guān)鍵點(diǎn)的位移柱狀圖如圖5～7所示。

對于巷道頂板中點(diǎn)處的關(guān)鍵點(diǎn)K1，DCC和CDC組合對復(fù)合層頂板位移控制較好，其與原支護(hù)方法相比頂板沉降增量為4.05%，故采用DCC和CDC組合支護(hù)效果最好?？紤]到巷道頂板中部是變形最大的部位，在此處應(yīng)布置長錨桿，以便有效地控制其變形及位移量；而DCC組合時離K1較遠(yuǎn)處選用的是短錨桿，由此推測，該短錨桿對K1的影響較小，即錨桿有一定的加固范圍；另一方面，CDD組合時其位移值最大，頂板沉降增量達(dá)到20.65%，由此可見在巷道頂板中部布置短錨桿時，其支護(hù)效果不理想。

對于矩形巷道右上角的關(guān)鍵點(diǎn)K2，由其沉降柱狀圖可以看出，長短錨桿聯(lián)合支護(hù)對矩形巷道角點(diǎn)有一定的影響，但影響有限。角點(diǎn)處的整體沉降量均小于復(fù)合層頂板中點(diǎn)處的沉降值，預(yù)測角點(diǎn)處可能出現(xiàn)的位移突變并沒有出現(xiàn)，因此長短錨桿聯(lián)合支護(hù)對于角點(diǎn)的影響可以忽略不計。

對于巷道頂板最大沉降值的關(guān)鍵K3，由于整個材料巷道頂板的巖層傾向的影響，矩形巷道的右上側(cè)煤層與偽頂，偽頂與直接頂?shù)姆纸缑嫦鄬τ谧髠?cè)更為靠近巷道，由于各層間巖層參數(shù)的不同，在巷道頂板右側(cè)產(chǎn)生了最大的沉降值是合理的。由表5和圖7分析可知，DCC和DCD組合對于復(fù)合層頂板最大沉降值的控制效果最佳。對此種現(xiàn)象進(jìn)行分析，由模擬實(shí)驗(yàn)可得最大沉降量出現(xiàn)的位置均位于矩形材料巷道頂板最右側(cè)的兩根錨桿之間。對DCC和DCD組合而言，中間采用長錨桿的支護(hù)方式正好深入到了復(fù)合層老頂之中，限制了巷道頂板的表面位移，在其加固范圍內(nèi)減少了右側(cè)危險點(diǎn)的最大沉降值。

2.3.1.2 側(cè)壁收斂分析

取關(guān)鍵點(diǎn)K4，K5研究兩幫位移變化趨勢見圖8所示。

圖5 K1沉降柱狀圖

圖6 K2沉降柱狀圖

圖7 K3沉降柱狀圖

圖8 兩幫位移收斂曲線

表5 底板隆起值/m

由上述結(jié)論可知，復(fù)合層頂板錨桿的不同組合會對兩幫的相對移近量產(chǎn)生影響，長短錨桿的組合兩幫移近量的總體趨勢是變大的。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，CCD、CDD和DCD三種組合對兩幫相對移近量產(chǎn)生的增量最大，其原因在于巷道復(fù)合層頂板最外側(cè)的錨桿并不是豎直的深入到巖層中而是與水平角呈75°，不僅是作用于頂板，還對圍巖的兩幫的位移有控制作用。其中DCC組合最接近于原始工況，產(chǎn)生的相對位移增量為0.35cm，這個值相對于巷道尺寸和總的變形量是很小的，因此在此工程背景下長短錨桿的應(yīng)用就兩幫的變形量而言是安全可行的。

2.3.1.3 底板隆起分析

取關(guān)鍵點(diǎn)K6研究底板隆起見表5?？拥椎穆∑鹬迪鄬τ陧敯宓某两盗繙p少了一個數(shù)量級，其原因在于巷道直接底巖層穩(wěn)固。因此，此工程背景條件下長短錨桿聯(lián)合支護(hù)對底板的影響可忽略不計。

2.3.2 應(yīng)力結(jié)果分析

圖9、圖10為巷道在不同錨桿組合情況下的最大主應(yīng)力圖，根據(jù)上述的主應(yīng)力云圖模擬結(jié)果可以得出以下的結(jié)論。

圖9 最大主應(yīng)力云圖

圖10 DCC組合最大主應(yīng)力云圖

1）錨桿加固具有一定的范圍，以偽頂和直接頂為研究對象。有錨桿存在的區(qū)域，錨桿對應(yīng)力狀態(tài)的改善作用十分明顯。在有錨桿支護(hù)的作用區(qū)域，最大主應(yīng)力的數(shù)值明顯小于沒有錨桿支護(hù)的作用區(qū)域。

2）深入到老頂?shù)拈L錨桿在老頂中形成了一個明顯的加固區(qū)，說明長錨桿不僅在控制復(fù)合層頂板位移發(fā)揮了作用，同時能夠改善老頂?shù)膽?yīng)力狀態(tài)。

3）CCC組合和DCC組合的最大主應(yīng)力云圖幾乎相同，可以推測最外側(cè)的錨桿對應(yīng)力改善的作用有限，可以適當(dāng)減少其長度以節(jié)省成本。另外通過DCC、DDC和DCD組合的交叉對比可以得到巷道頂板中點(diǎn)兩側(cè)的錨桿對老頂?shù)膽?yīng)力改善作用最為明顯。

2.3.3 錨桿受力分析

復(fù)合層頂板長短錨桿層間剪力如圖11所示，層間拉力如圖12所示。由圖11、圖12可知，在相同位置的長短錨桿分別作用時，短錨桿承受了大部分的剪應(yīng)力作用，長錨桿承受了主要的拉力作用。圖11中偽頂與直接頂，直接頂與老頂?shù)姆纸缑娑体^桿起到了承受剪應(yīng)力，起到了阻止層間滑動的作用，同時將上下巖層連接成整體組合受力。而從圖12可知，長錨桿平衡承受了大部分的拉力作用，將下部的圍巖懸吊于頂部堅固的巖層中，起到控制位移的作用，其控制能力隨著時間的增長而更加明顯。而圖11中短錨桿的拉力突變是由于開挖后，應(yīng)力突然釋放，偽頂與直接頂之間的層間聯(lián)接更薄弱造成的，隨著時間增長，逐步由長錨桿承受主要拉力。

圖11 層間錨桿剪力曲線

圖12 層間錨桿拉力曲線

2.3.4 長短錨桿作用機(jī)理

綜上所述，長短錨桿聯(lián)合支護(hù)時長錨桿主要起到控制位移的作用，短錨桿主要起到加固作用。長短支護(hù)作用機(jī)理可概述為如下兩個方面。

1）當(dāng)頂板巖石是層狀分布時，短錨桿將各個薄

的巖層貫穿在一起形成一個一定厚度的組合梁［6］，薄的巖層能抗拒的拉應(yīng)力較小，而厚的組合梁抗拉強(qiáng)度大大提高；在巖石層面交界處，短錨桿與膠結(jié)物一起共同阻止巖層沿層理面的水平錯動；長錨桿將短錨桿形成的組合梁懸吊深部較穩(wěn)定的巖層中，從而使巷道頂板滿足穩(wěn)定性的要求［7］。

2）當(dāng)頂板巖石節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，即頂板巖石較為破碎時，巷道開挖后，巖體群會沿著巷道徑向收斂，向巷道空間運(yùn)動，使巖塊相互嵌合；借助巖塊間的摩擦力，巖塊間自鎖，同時在短錨桿的作用下，各巖塊擠壓成拱，此巖石拱［8］支承了破裂帶巖體的大部分；同時，在長錨桿的作用下，將此巖石拱懸吊在深部較穩(wěn)定巖層中，從而使巷道頂板滿足穩(wěn)定性的要求。

3 結(jié) 論

經(jīng)項(xiàng)目討論后中興礦巷道采用DCC組合支護(hù)復(fù)合層頂板，現(xiàn)場實(shí)測表明該組合支護(hù)能達(dá)到設(shè)計效果。綜上所述可以得出以下結(jié)論。

1）巷道復(fù)合層頂板支護(hù)采用特定的長短錨桿組合的方式能夠達(dá)到支護(hù)要求，同時能夠節(jié)約成本，縮短支護(hù)時間，為快速掘進(jìn)和施工創(chuàng)造條件。

2）就本工程背景而言，DCC組合方式效果最佳，說明在類似的工程條件下，最外側(cè)的錨桿可以采用短錨桿替代長錨桿的支護(hù)方式。此時，長錨桿主要起到控制位移的作用，短錨桿主要起到加固作用。

3）現(xiàn)實(shí)的工程中有采用錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的形式。因此采用長短錨桿聯(lián)合支護(hù)利用側(cè)重點(diǎn)不同的支護(hù)機(jī)理的綜合應(yīng)用是可行的并具有現(xiàn)實(shí)的意義。

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Research on bolting with difference scale in composite layer of roadway roof

DENG Lei，DONG Zhao-xing
（School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China）

The study focuses on the combination of bolting with different scale to solve the disadvantages in composite layer of roadway roof.FLAC3Dhas been applied to analyzing the research which including seven combinations.The results show the long bolting can control displacement and stress distribution，and the short bolting can prevent from sliding.The new method can meet the expected requirement to compare with the old，and DCC is closest to the original results.The mechanism of bolt with different length has been speculated.This paper is of great significance in application of the bolting in the future.

composite layer of roof；bolting with difference scale；combined supporting；numerical simulation

TD353

A

1004-4051（2016）09-0092-05

2015-12-17

鄧?yán)冢?990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程加固與處理。E-mail：cumtdenglei@163.com。