張俊敏，柏建彪，2，張偉光，2

(1.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

20世紀(jì)90年代以來，錨桿支護(hù)以其顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，在煤礦巷道圍巖控制中獲得了廣泛應(yīng)用，是巷道支護(hù)的一場革命[1-4]。當(dāng)巷道頂板中賦存含水層時，巷道開挖產(chǎn)生的裂隙與含水層貫通，水將沿著裂隙或錨固孔下滲而引起錨固界面弱化，導(dǎo)致錨固力下降，甚至造成支護(hù)系統(tǒng)失效[5-7]。因此，開展水影響下錨固結(jié)構(gòu)弱化特征的研究，對于富水頂板巷道樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)的完善具有重要意義。曾一凡等[8]根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度計算結(jié)果對頂板冒裂安全性進(jìn)行分區(qū)，結(jié)合富水性評價結(jié)果，對煤層頂板風(fēng)化基巖裂隙含水層突水危險性進(jìn)行了預(yù)測評價。姚強嶺[9，10]針對典型的富水巷道頂板條件，分析了頂板水流動特征及其對頂板支護(hù)強度的影響，提出了有控疏水、合理保水技術(shù)以減少頂板水對巖石侵蝕弱化作用和提高圍巖自身強度的方法，并得到了富水巷道頂板錨桿支護(hù)主要技術(shù)參數(shù)。胡濱等[11]研究了水對樹脂錨桿錨固性能的影響，得出頂板鉆孔淋水和巷幫鉆孔積水對樹脂錨桿錨固性能影響較大的結(jié)論。周杰等[12]通過對錨固體力學(xué)性能的實驗?zāi)M和數(shù)值模擬，得出隨鉆孔積水量的增加，錨固性能弱化作用更加顯著。鄧輝等[13]研究發(fā)現(xiàn)在深埋遇水軟化軟巖巷道中錨桿、錨索工作錨固力相對較小、預(yù)緊力偏小，使用錨梁網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效控制該類巷道變形。謝志紅[14]開展了頂板泥巖的耐崩解性試驗和膨脹性試驗，試驗結(jié)果顯示水對軟弱夾層弱化作用較強，并提出了梯次支護(hù)技術(shù)，工業(yè)性試驗顯示該技術(shù)具有較好的支護(hù)效果。王襄禹等[15]分析了弱膠結(jié)富水巷道頂板弱化規(guī)律，提出合理保水、有控疏水及高性能錨桿(索)支護(hù)相結(jié)合的綜合控制技術(shù)，圍巖控制效果顯著。本文以哈密大南湖礦111801運輸巷為研究背景，建立FLAC數(shù)值計算模型，分析頂板含水量對錨固結(jié)構(gòu)可靠性的影響，提出合理有效的控制措施。

1 工程概況

哈密大南湖礦位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市西南，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為4.0Mt/a。主要可采煤層為中侏羅統(tǒng)西山窯組中含煤段的18、19、20、22、23、24、25煤，共計7層，均為較穩(wěn)定的大部可采煤層。各主要可采煤層物理性質(zhì)基本相似，現(xiàn)階段開采18煤層，18～19煤之間煤層間距在0.75～18.00m，平均6.44m。

18煤頂?shù)装宥酁榛疑百|(zhì)泥巖和粉砂巖，111801運輸巷頂板存在含礫粗砂巖含水層，頂板常會出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。因為水會阻礙樹脂錨固劑反應(yīng)物凝結(jié)，降低錨固劑粘結(jié)力，弱化錨固區(qū)圍巖，所以圍巖含水量會影響錨固結(jié)構(gòu)的錨固性能。

2 水對錨固結(jié)構(gòu)影響程度分析

2.1 FLAC數(shù)值模型建立

模擬不同圍巖含水量條件下支護(hù)應(yīng)力場的分布規(guī)律，分析水對錨固結(jié)構(gòu)可靠度的影響。采用FLAC3D軟件，建立由單個錨桿和周圍巖石組成的錨固結(jié)構(gòu)模型，模型中采用Φ22mm×2000mm的錨桿，賦值參數(shù)為：彈性模量210GPa，屈服強度500MPa。為了更好地研究錨桿支護(hù)產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場，在模擬中沒有施加原巖應(yīng)力，預(yù)緊力施加在錨桿的尾部；為了模擬含水率對錨固結(jié)構(gòu)的影響程度，選取錨桿孔圍巖含水率分別為2%、4%、6%進(jìn)行模擬，三種數(shù)值模型所確定的錨固段長度統(tǒng)一為0.6m、施加的預(yù)緊力為120kN。

為建立圍巖不同含水量的錨固結(jié)構(gòu)模型，需確定不同含水率下巖體的物理力學(xué)參數(shù)。將砂質(zhì)泥巖和粉砂巖試樣分為5組，分別為烘干24h、浸水30min、浸水1h、浸水2h和飽水5種含水狀態(tài)，選擇浸水后較為完整的巖樣分別進(jìn)行單軸壓縮實驗和剪切實驗。測定不同含水狀態(tài)下砂質(zhì)泥巖和粉砂巖的單軸抗壓強度、彈性模量、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。由測試結(jié)果擬合出巖體不同含水狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)變化曲線，獲得含水率與力學(xué)參數(shù)間的定量關(guān)系，如圖1所示。在建模過程中使用FISH語言把含水率與力學(xué)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系導(dǎo)入模型獲取與現(xiàn)實巖體參數(shù)一致的數(shù)值模型。

圖1 巖體力學(xué)參數(shù)-含水率變化擬合曲線

2.2 圍巖含水率與預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的關(guān)系

錨固長度為0.6m、預(yù)緊力為120kN時，對于含水率分別為2%、4%、6%的錨桿孔圍巖，錨桿的應(yīng)力場分布和有效壓應(yīng)力的作用范圍，如圖2所示。從圖2中可以看出巖石高含水量會降低有效壓應(yīng)力范圍和壓應(yīng)力強度，導(dǎo)致錨固結(jié)構(gòu)的整體性能明顯降低，錨桿不能產(chǎn)生有效的主動支護(hù)效果。

圖2 不同含水率支護(hù)應(yīng)力分布云圖

由圖2可知：單個錨桿施加預(yù)緊力在巖石中可形成類橢圓體的壓應(yīng)力分布區(qū)域，在錨桿尾部附近和錨固的起始端的壓應(yīng)力較大，在錨桿自由段中部形成的壓應(yīng)力相對較小并且壓應(yīng)力向錨桿兩側(cè)延展，所以壓應(yīng)力范圍和強度決定了錨固結(jié)構(gòu)的整體性能。

隨著巖石含水率增加，錨固體在周圍巖石中產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力區(qū)域逐漸減小，當(dāng)含水率為2%時，錨邊有效壓應(yīng)力區(qū)域的最大范圍為0.5m，壓應(yīng)力達(dá)到0.1MPa的范圍為0.2～0.3m；含水量為4%時，有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍在錨桿自由段上部區(qū)域有所減小，沒有形成壓應(yīng)力大于0.1MPa的連續(xù)區(qū)域；含水量為6%時，有效壓應(yīng)力最大作用范圍為0.35m，沿錨桿軸向方向不能形成連續(xù)的有效壓應(yīng)力區(qū)，此時錨固結(jié)構(gòu)的可靠性較弱。因此，對于頂板富水巷道圍巖控制的關(guān)鍵是降低頂板含水量，減少水對錨固結(jié)構(gòu)的弱化作用，保證巷道圍巖穩(wěn)定。

3 富水頂板錨固結(jié)構(gòu)強化技術(shù)及應(yīng)用效果

由于111801運輸巷含水層層位較低，頂板錨索會穿過含水層，頂板水順著錨索孔流出，對支護(hù)體產(chǎn)生弱化作用，降低錨固結(jié)構(gòu)的可靠性。因此提出了采取錨索注漿堵水的控制方案。

3.1 錨索注漿合理保水

為降低頂板水流動對錨固結(jié)構(gòu)的影響，采用錨索注漿的保水措施把頂板流動水變?yōu)殪o態(tài)水，如圖3所示。注漿可以實現(xiàn)錨索全長預(yù)緊力錨固，防止錨索生銹，使頂板中水恢復(fù)到原來狀態(tài)，改善控制頂板圍巖效果。錨索使用帶注漿管的自制托盤，安裝錨索時孔口位置用麻繩摻速凝劑封堵。

圖3 帶注漿管的自制托盤示意圖

3.2 富水頂板巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計

緊跟掘進(jìn)工作面迎頭進(jìn)行錨桿支護(hù)，先初噴50mm，打錨桿掛網(wǎng)后進(jìn)行復(fù)噴，復(fù)噴50mm，噴層總厚度為100mm。頂錨桿采用Φ22mm×2200mm左旋高強預(yù)應(yīng)力螺紋鋼錨桿，間排距為850mm×800mm；頂板錨索采用Φ18.9mm×6800mm的錨索，每隔兩排錨桿1600mm布置2或3根Φ18.9mm的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索，布置方式為“3-2-3”；左右兩幫采用與頂錨桿參數(shù)相同的錨桿，間排距為750mm×800mm。

3.3 支護(hù)效果觀測

沿巷道掘進(jìn)方向采用錨桿錨索支護(hù)后每100m設(shè)置一個包含測力錨桿和錨桿測力計的綜合觀測測站，對掘進(jìn)及回采期間錨桿的受力情況進(jìn)行定期觀測。

1)為了測試錨索注漿合理保水措施后錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性，分析了錨桿的軸向荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖4所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示頂錨桿的軸向載荷最大為30kN，Φ22mm高強錨桿的破斷載荷為186kN，錨桿仍有較大的承載空間。

圖4 錨桿軸向載荷監(jiān)測曲線

2)不同時間段的頂板測力錨桿受力曲線如圖5所示，錨桿安裝以后，桿體受力在工作面回采之前的變化并不大，但工作面回采之后桿體受力不斷增大。錨桿沿長度方向的載荷分布并不是均勻的，受力在淺部圍巖處較大，距頂板0.7m深處錨桿受力最大，且錨桿受力在距托盤較近的位置開始變大。

圖5 不同時間段的頂板測力錨桿受力曲線

頂板測力錨桿與工作面距離的關(guān)系曲線如圖6所示，桿體受力在工作面回采期間一直增加，在距工作面30m附近增速加快，說明工作面回采引起的超前支承壓力影響范圍在30m左右。錨桿受力最大為65kN，遠(yuǎn)小于Φ22mm錨桿的破斷載荷(186kN)，說明支護(hù)參數(shù)能夠滿足巷道圍巖變形。

圖6 頂板測力錨桿與工作面距離的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

1)富水頂板涌水量大，不利于樹脂錨固劑反應(yīng)物凝結(jié)，造成錨固區(qū)圍巖的弱化，減弱了錨固結(jié)構(gòu)的錨固性能。

2)提高富水頂板錨固結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵在于降低頂板含水量，減小水對錨固結(jié)構(gòu)的弱化作用，提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

3)工業(yè)性試驗表明采用錨索注漿的合理保水措施可以降低頂板含水量，提高錨固結(jié)構(gòu)的安全可靠性，滿足了巷道圍巖變形要求，具有較好的技術(shù)效果。