陶文斌 陶杰 侯俊領(lǐng) 蔣敬平

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.深部煤炭開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001;3.攀枝花學(xué)院 釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000;4山東安科礦山支護(hù)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

地應(yīng)力是一切地下工程力學(xué)理論研究和工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確測(cè)量地應(yīng)力對(duì)于煤礦開(kāi)采及隧道施工具有重要意義，是進(jìn)行掘進(jìn)施工的一項(xiàng)最基本的工作。一般而言，采礦工程設(shè)計(jì)和施工中較少考慮地應(yīng)力的影響，當(dāng)采礦活動(dòng)在較小規(guī)模范圍內(nèi)或地表淺部進(jìn)行的時(shí)候，不考慮地應(yīng)力的影響是可行的。但是隨著采礦規(guī)模的不斷擴(kuò)大和向深部的不斷發(fā)展，特別是數(shù)百萬(wàn)噸級(jí)大型礦井的出現(xiàn)，地應(yīng)力在施工中的影響越來(lái)越明顯，此時(shí)不考慮地應(yīng)力的影響進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，往往會(huì)造成地下巷道和采場(chǎng)的坍塌破壞以及沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生，使礦井生產(chǎn)無(wú)法進(jìn)行，甚至引起嚴(yán)重的生產(chǎn)和人身安全事故。文獻(xiàn)[1- 2]基于地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析了煤礦井下的地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,眾多學(xué)者也將研究得到的地應(yīng)力分布結(jié)論應(yīng)用于煤巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、巷道和采場(chǎng)的支護(hù)設(shè)計(jì)以及沖擊地壓災(zāi)害防治等方面[3- 7]，取得了良好效果。

巷道支護(hù)是煤礦安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)，錨桿的工作狀態(tài)和支護(hù)質(zhì)量決定了巷道的安全性和圍巖的穩(wěn)定性。為了研究錨桿支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)技術(shù)及方法，姜德生等[8]建立了錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁錨索的預(yù)應(yīng)力檢測(cè);梁敏富等[9]研究了測(cè)力錨桿在煤礦巷道中的應(yīng)用，得到了巷道圍巖中錨桿的受力分布特點(diǎn);李麗君等[10]提出了錨桿應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了光纖光柵與應(yīng)變片的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了錨桿應(yīng)變分布的測(cè)量;Tang等[11]基于錨桿軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果，提出了巷道錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。此外，研究者們[12- 15]還在錨桿支護(hù)作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，強(qiáng)調(diào)錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散的決定性作用，不僅重視錨桿的強(qiáng)度，更重視支護(hù)系統(tǒng)的剛度，特別是錨桿預(yù)應(yīng)力的重要性，真正實(shí)現(xiàn)了錨桿的主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)，充分發(fā)揮了錨桿的支護(hù)作用。常聚才及張農(nóng)等[16- 19]認(rèn)為，支護(hù)形成的承載結(jié)構(gòu)特性和錨桿的預(yù)拉力對(duì)圍巖的穩(wěn)定性起到了更為關(guān)鍵的作用，提高巷道頂板錨桿預(yù)拉力可以有效控制巷道頂板的下沉量，并在加大錨桿間排距、減少錨桿用量的情況下，極大地提高巷道的穩(wěn)定性。

鑒于深井軟巖巷道面臨高應(yīng)力環(huán)境，巷道存在變形嚴(yán)重、支護(hù)困難等問(wèn)題，造成巷道返修頻繁和錨桿失錨安全事故顯著增加，傳統(tǒng)的用于支護(hù)的依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)的類(lèi)比法有待改進(jìn)，文中通過(guò)對(duì)潘三煤礦地應(yīng)力及巷道變形進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)巷道變形不僅與地應(yīng)力大小相關(guān)，而且與巷道軸向和最大主應(yīng)力方向有關(guān)，這對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道錨桿支護(hù)提出了更高的要求。文中通過(guò)對(duì)錨桿支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并將其應(yīng)用于高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)實(shí)踐中，以期取得較好的效果。

1 工程背景及圍巖特性

淮南礦區(qū)屬于華北板塊與揚(yáng)子板塊接觸帶，過(guò)去與當(dāng)前兩板塊的擠壓碰撞，造成淮南礦區(qū)構(gòu)造強(qiáng)烈、節(jié)理發(fā)育與水平應(yīng)力大。淮南潘三礦位于淮南礦區(qū)北部，隨著井巷工程的延伸和采掘活動(dòng)的頻繁開(kāi)展，受動(dòng)壓、斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造的影響，礦井應(yīng)力水平逐漸增加，出現(xiàn)巷道底臌、片幫、局部冒頂以及局部區(qū)域瓦斯涌出量增加等動(dòng)力現(xiàn)象。

潘三煤礦1621(1)工作面11- 2煤平均厚度為1.8 m，直接頂為厚2.6 m的砂質(zhì)泥巖，上覆巖層依次為0.5 m厚的11- 3煤、1.3 m厚的砂質(zhì)泥巖、0.3 m厚的煤線(xiàn)、3.3 m厚的粉細(xì)砂巖、3.7 m厚的砂質(zhì)泥巖，老頂為砂巖、泥巖;直接底為2.5 m厚的泥巖，下覆巖層依次為3.2 m厚的粉細(xì)砂巖、0.6 m厚的11- 1煤、3.5 m厚的泥巖、3.2 m厚的粉細(xì)砂巖，老底為泥巖。圍巖組成的物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

1621(1)運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 771 m，實(shí)體掘進(jìn)，巷道斷面凈寬設(shè)計(jì)為4 m、凈高設(shè)計(jì)為3.6 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板錨桿支護(hù)由左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿、M5鋼帶和菱形金屬網(wǎng)組成。鋼帶沿巷道橫向鋪設(shè)，每個(gè)鋼帶上安裝2根錨桿和3根錨索，幫部錨桿索均穿過(guò)扁鋼孔垂直幫部錨入，每一幫采用3根錨桿、2根錨索支護(hù)，錨桿預(yù)緊力為20 kN。

以1621(1)運(yùn)輸巷道作為巷道圍巖變形觀(guān)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)斷面布置兩組多點(diǎn)位移計(jì)，與測(cè)力錨桿同一斷面，分別布置在巷道迎頭頂板中間位置與煤幫中間位置,如圖1所示。

表1 1621(1)工作面煤頂?shù)装?0 m范圍內(nèi)巖石的單軸力學(xué)參數(shù)

Table 1 Single-axial mechanical parameters of rock in 10 m range of coal roof and floor of 1621(1) working face

巖性抗壓強(qiáng)度/MPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa頂板細(xì)砂巖36.4165.56136.3393.7851.31頂板粉砂巖24.8974.59435.2102.1041.57頂板砂質(zhì)泥巖10.9423.42233.8421.4500.63底板砂質(zhì)泥巖15.5793.81134.2970.9151.28

圖1 位移計(jì)布置圖Fig.1 Layout of displacement meter

頂板與煤幫在掘進(jìn)5 d進(jìn)尺30～40 m后巷道變形穩(wěn)定;巷道頂板0～3 000 mm錨桿錨固的范圍整體下沉，發(fā)生離層的位置為頂板內(nèi)3 000～4 000 mm的范圍和上部7 000 mm左右的位置。

巷道兩幫位移量與頂板位移量相輔相成，幫部位移量產(chǎn)生的同時(shí)，頂板分別處于淺部、深部離層位移區(qū)，煤幫均勻性變形，從孔深7.5 m處至巷道表面均勻變化，巷道掘進(jìn)2 d后進(jìn)尺10 m時(shí)，巷道均勻變化，最大變形量為10 mm;巷道掘進(jìn)5 d進(jìn)尺30～40 m后巷道變形最大，達(dá)22 mm，頂板與兩幫圍巖變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。

由深埋巷道支護(hù)工程實(shí)踐中的巷道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以知道：巷道主要變形量發(fā)生在5 m范圍內(nèi)，隨著時(shí)間推移，深部變形首先穩(wěn)定，后續(xù)變形主要在淺部4.0 m范圍內(nèi);幫部的錨固支護(hù)提高了幫部的整體性，出現(xiàn)錨桿隨圍巖整體性外移的現(xiàn)象;巷道圍巖巖性軟化，頂板變形破壞的范圍比較大，達(dá)7 000 mm左右，從淺部到深部其變化率基本一致，接近線(xiàn)性變化。

圖2 1621(1)運(yùn)輸巷道圍巖變形圖

Fig.2 Surrounding rock deformation of 1621(1) transportation roadway

2 潘三煤礦地應(yīng)力測(cè)量

目前常采用增加錨桿、使用錨索的方法來(lái)處理巷道圍巖變形問(wèn)題，但這些方法的巷道修復(fù)工程量很大，經(jīng)濟(jì)效益很低，不能從根本上發(fā)現(xiàn)巷道變形的原因并加以解決。本節(jié)以潘三煤礦為例，采用應(yīng)力解除法對(duì)深部巷道進(jìn)行地應(yīng)力原位測(cè)量。

2.1 西三采區(qū)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

根據(jù)潘三煤礦西三采區(qū)和東翼采區(qū)現(xiàn)有采掘狀況及地質(zhì)條件，地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)盡可能避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段及受采動(dòng)影響的部位，并滿(mǎn)足測(cè)量范圍均勻和全面的原則，故在選擇西三采區(qū)的地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)時(shí)，在1672(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷布置2個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，具體位置見(jiàn)圖3。

通過(guò)在潘三煤礦1672(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷和2121(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷布置的5個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，可以真實(shí)地反映和了解西三采區(qū)、東翼采區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布的特點(diǎn)和規(guī)律。

根據(jù)西三采區(qū)XS-1和XS-2地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量σ1的傾角均小于15°，接近水平方向;方位角平均為169.7°，接近于南北向，見(jiàn)圖4(a)。地應(yīng)力場(chǎng)中主應(yīng)力σ1為最大水平主應(yīng)力，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻媳毕?，量值平均?7.24 MPa。

圖3 西三采區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)Fig.3 In-situ stress measurement points in Xisan mining area

圖4 西三采區(qū)地應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of in-situ stress in Xisan mining area

西三采區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)中主應(yīng)力σ3為最小水平主應(yīng)力，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻鼥|西向，量值平均為17.27 MPa。根據(jù)西三采區(qū)XS-1和XS-2地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量σ3的傾角均小于15°，可視為水平方向;方位角平均為79.0°，接近于東西向，與主應(yīng)力σ1在方位上呈正交關(guān)系，見(jiàn)圖4(a)。

地應(yīng)力場(chǎng)中間主應(yīng)力σ2的傾角較大，均超過(guò)70°，接近于垂直方向，且量值與實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力σv接近，見(jiàn)圖4(b)。

表2為西三采區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)各分量測(cè)量結(jié)果匯總。

表2 西三采區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)各分量測(cè)量結(jié)果匯總

Table 2 Summary of measurement results of various components of in-situ stress field in Xisan mining area

測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力地應(yīng)力實(shí)測(cè)值/MPa地應(yīng)力當(dāng)量化值/MPa傾角/(°)方位角/(°)XS-1XS-2σ126.8527.5712.8356.1σ218.4018.8675.5215.8σ317.1817.6014.385.6σv17.76———σ127.6328.019.5343.2σ218.6818.9171.3221.0σ317.3517.564.572.3σv18.98———

2.2 東翼采區(qū)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

東翼采區(qū)在2121(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷布置3個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)量，具體布置點(diǎn)如圖5所示。

圖5 東翼采區(qū)地應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)Fig.5 In-situ stress measurement points in Dongyi mining area

根據(jù)東翼采區(qū)DY-1、DY-2和DY-3地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量σ1的傾角均小于15°，接近水平方向;方位角平均為351.1°，接近于南北向，見(jiàn)圖6(a)，地應(yīng)力場(chǎng)中主應(yīng)力σ1為最大水平主應(yīng)力，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻媳毕?，量值平均?5.76 MPa。

地應(yīng)力場(chǎng)中主應(yīng)力σ3為最小水平主應(yīng)力，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻鼥|西向，量值平均為15.65 MPa。根據(jù)東翼采區(qū)DY-1、DY-2和DY-3地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量σ3的傾角均小于15°，可視為水平方向;方位角平均為82.0°，接近于東西向，與主應(yīng)力σ1在方位上呈正交關(guān)系，見(jiàn)圖6(a)。

地應(yīng)力場(chǎng)中間主應(yīng)力σ2的傾角較大，均超過(guò)60°，接近于垂直方向，且量值與實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力σv接近，見(jiàn)圖6(b)。西三采區(qū)和東翼采區(qū)巷道受水平主應(yīng)力方向性影響顯著，西三采區(qū)整體應(yīng)力水平較東翼采區(qū)的略高，這與測(cè)點(diǎn)分布深度密切相關(guān)。西三采區(qū)測(cè)點(diǎn)埋深超過(guò)東翼采區(qū)測(cè)點(diǎn)埋深50 m以上，在應(yīng)力整體水平上受自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力影響略高。

圖6 東翼采區(qū)地應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of in-situ stress in Dongyi mining area

2.3 潘三煤礦地應(yīng)力測(cè)量分析

表3所示西三采區(qū)和東翼采區(qū)5個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果和當(dāng)量化結(jié)果表明，潘三煤礦井田范圍內(nèi)的地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)相對(duì)比較穩(wěn)定，整體地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)具有以下特點(diǎn)：西三采區(qū)和東翼采區(qū)整體地應(yīng)力場(chǎng)方位變化不大，相似性較高，當(dāng)量化值在量值上主要受埋深影響，整體為受煤層傾向的單斜構(gòu)造和橫貫井田的W-背向斜構(gòu)造共同影響的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

表3 東翼采區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)各分量測(cè)量結(jié)果匯總

Table 3 Summary of measurement results of various components of in-situ stress field in Dongyi mining area

測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力地應(yīng)力實(shí)測(cè)值/MPa地應(yīng)力當(dāng)量化值/MPa傾角/(°)方位角/(°)DY-1DY-2DY-3σ125.7622.5212.75.9σ217.3615.6064.2235.2σ316.3814.796.695.2σv17.22———σ124.9520.085.3347.4σ214.2712.1665.5119.7σ315.3713.0014.081.0σv13.65———σ126.5728.301.1340.0σ217.7318.7779.5126.1σ315.2116.0510.469.8σv16.61———

將地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行匯總，可知：潘三煤礦地應(yīng)力場(chǎng)中主應(yīng)力σ1為最大水平主應(yīng)力，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻媳毕?，?dāng)量化平均值為25.30 MPa，σ1的傾角均小于15°，接近水平方向，方位平均為350.5°。地應(yīng)力場(chǎng)中主應(yīng)力σ3為最小水平主應(yīng)力，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻鼥|西向，量值平均為15.80 MPa，σ3的傾角均小于15°，可視為水平方向，方位在70°～95°之間，平均為80.8°，與最大主應(yīng)力σ1在方位上呈正交關(guān)系。地應(yīng)力場(chǎng)中間主應(yīng)力σ2的傾角較大，均超過(guò)60°，接近于垂直方向，且量值與實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力σv接近，如圖7所示。

圖7 主應(yīng)力立體網(wǎng)格圖Fig.7 Stereo grid diagram of principal stress

潘三煤礦地應(yīng)力場(chǎng)中最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力相差不大。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力相差在2 MPa之內(nèi)，且除DY-2地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)外，地應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)σ1>σv>σ3的應(yīng)力關(guān)系。DY-2地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)可能受斷層構(gòu)造影響，垂直應(yīng)力出現(xiàn)明顯降低現(xiàn)象。

影響潘三煤礦巷道穩(wěn)定性的主導(dǎo)應(yīng)力是最大水平主應(yīng)力σ1，且對(duì)巷道掘進(jìn)左側(cè)具有明顯方向性影響,對(duì)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果中的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、垂直應(yīng)力及其比值進(jìn)行匯總，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 主應(yīng)力及其比值匯總表Table 4 Summary of principal stresses and their ratios

可以看出：潘三煤礦整體地應(yīng)力場(chǎng)中，最大水平應(yīng)力σ1明顯大于垂直應(yīng)力σv，側(cè)壓系數(shù)σ1/σv=1.56～1.75，地應(yīng)力場(chǎng)中水平主應(yīng)力占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)地位。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，最大主應(yīng)力σ1與最小主應(yīng)力σ3的比值K=1.46～1.83，其量值變化較大，且最大主應(yīng)力越高，其對(duì)應(yīng)的最小主應(yīng)力越小，說(shuō)明井田內(nèi)地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道掘進(jìn)的影響具有明顯的方向性。潘三礦大的逆斷層走向基本成東西向，實(shí)測(cè)最大水平地應(yīng)力基本成南北向，說(shuō)明礦區(qū)過(guò)去受水平擠壓造成巖層節(jié)理發(fā)育，存在傾向南北“X”狀共軛剪切弱面帶。當(dāng)前水平應(yīng)力還是南北方向，不利于過(guò)去形成的構(gòu)造面的閉合與充填，造成巖塊節(jié)理弱面強(qiáng)度極低。

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，最大主應(yīng)力σ1方位與巷道軸向夾角為34°～73°，平均夾角為55.3°，對(duì)巷道掘進(jìn)影響較大，使得水平應(yīng)力集中體現(xiàn)在巷道掘進(jìn)方向左側(cè)，特別是2121(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷17#鉆場(chǎng)區(qū)域，巷道與最大主應(yīng)力夾角達(dá)到73°，水平應(yīng)力集中程度最為顯著，見(jiàn)圖8。

圖8 最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道掘進(jìn)方向的影響

Fig.8 Effect of maximum horizontal principal stress on driving direction of roadway

3 數(shù)字化測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)

關(guān)于深部巷道變形的原因，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是因?yàn)橄锏缆裆畲?、?yīng)力環(huán)境復(fù)雜、圍巖巖性較差等多方面因素。基于上述分析，從地應(yīng)力角度分析深部巷道變形的主要原因是：巷道布置方向與最大水平主應(yīng)力方向形成的夾角較大，圍巖主應(yīng)力差增大。

潘三煤礦1621(1)運(yùn)輸巷道斷面采用數(shù)字化測(cè)力錨桿實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套基于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)分站為控制終端，通過(guò)RS485電纜同1～10根錨桿進(jìn)行通信，采用交互應(yīng)變傳感器獲取錨桿受力數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)分站所獲得的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)傳輸分站以太網(wǎng)鏈路和電纜傳輸至地面控制中心，監(jiān)控人員可訪(fǎng)問(wèn)中心計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)。測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制過(guò)程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)框架圖Fig.9 Diagram of system framework

測(cè)力錨桿與位移計(jì)布置在同一斷面，本節(jié)不再贅述。潘三煤礦1621(1)運(yùn)輸巷道施工前期分別在頂板和幫部安裝兩組測(cè)力錨桿，采用原支護(hù)方案進(jìn)行施工，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂板和幫部錨桿的受力狀態(tài)，及時(shí)反饋巷道支護(hù)狀況。頂板測(cè)力錨桿采用樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固方式;煤幫測(cè)力錨桿采用1支K2550快速錨固劑與1支Z2880中速錨固劑組合的加長(zhǎng)錨固支護(hù)形式，收集安裝兩周內(nèi)的錨桿軸力數(shù)據(jù)加以分析。

全長(zhǎng)錨固錨桿施加預(yù)緊力為20 kN，最大軸力位于錨桿1.05～1.85 m區(qū)間，平均軸力為80 kN;向錨桿兩端軸力逐漸減小，深部減小幅度明顯大于淺部，說(shuō)明錨桿1.5 m內(nèi)淺部相對(duì)于深部錨桿提供拉力，巷道頂板1.5 m深度變形劇烈，錨桿提供端部錨固力，軸力峰值寬度在1.05～1.85 m之間，如圖10所示。

圖10 頂板錨桿沿桿軸力Fig.10 Axial force of roof bolt

測(cè)力錨桿安裝時(shí)，錨桿外端施加預(yù)應(yīng)力20 kN，錨桿軸力在0～1 m范圍內(nèi)逐漸降低到0，斜率基本不變。頂板測(cè)力錨桿安裝2 d后，1.45、1.85、2.25 m測(cè)點(diǎn)的軸力分別為73、86、28.5 kN，基本處于穩(wěn)定狀態(tài);測(cè)點(diǎn)0.25、0.65、1.05 m的軸力處于緩慢增長(zhǎng)階段，分別為20、35、65 kN。錨桿軸力呈中間大、兩端小的近對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，其中0～1 m淺部的錨桿剪力發(fā)生反轉(zhuǎn)，由剛開(kāi)始的指向洞壁內(nèi)側(cè)變?yōu)橹赶蚨幢谕鈧?cè)。測(cè)力錨桿在巷道掘進(jìn)5 d后，軸力基本穩(wěn)定，與多點(diǎn)位移計(jì)觀(guān)測(cè)穩(wěn)定時(shí)間相一致，頂板測(cè)力錨桿數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 頂板錨桿軸力歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.11 Axial force diachronic curves of roof bolt

在煤幫測(cè)力錨桿淺部1.5 m范圍內(nèi)，同一時(shí)間段的軸力基本相同，說(shuō)明煤幫實(shí)際自由段長(zhǎng)度為1.5 m，實(shí)際錨固長(zhǎng)度為1.0 m左右，如圖12所示。

圖12 幫部錨桿沿桿軸力圖Fig.12 Axial force diagram of side wall bolt

煤幫軸力歷時(shí)曲線(xiàn)如圖13所示。軸力在巷道掘進(jìn)5 d后達(dá)到穩(wěn)定，最大軸力位于2.25 m處，為120 kN。煤幫錨桿安裝2 d后，1.85 m處軸力變化不大，說(shuō)明錨桿的錨固效果可靠，錨固端力主要集中在1.50～2.00 m范圍內(nèi);在錨固段1.85～2.25 m范圍內(nèi)，煤巖體位移較大，錨桿受力急劇增長(zhǎng)，說(shuō)明錨桿存在整體性外移現(xiàn)象。

圖13 幫部錨桿歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.13 Axial force diachronic curves of side wall bolt

通過(guò)地應(yīng)力測(cè)量發(fā)現(xiàn)，潘三煤礦1621(1)運(yùn)輸巷道以水平應(yīng)力為主，巷道掘進(jìn)方向與最大水平主應(yīng)力夾角較大，頂板變形劇烈，是巷道支護(hù)重點(diǎn)。采用測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，原有支護(hù)設(shè)計(jì)并未滿(mǎn)足支護(hù)需求，并且錨桿軸力的變化和頂板位移的持續(xù)增大相吻合，巷道持續(xù)變形使錨桿軸力不斷增大，此外頂板錨桿支護(hù)預(yù)緊力較低，全長(zhǎng)錨固作用未能充分發(fā)揮，從而造成頂板持續(xù)變形失穩(wěn)。

4 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

4.1 錨桿設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)中以巷道頂板為支護(hù)重點(diǎn)且錨桿支護(hù)不足的問(wèn)題，首先，采用預(yù)應(yīng)力錨索全長(zhǎng)錨固技術(shù)。該技術(shù)在原中空注漿錨索的基礎(chǔ)上對(duì)錨索進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)，采用專(zhuān)用的無(wú)機(jī)復(fù)合錨固材料和高壓注漿設(shè)備進(jìn)行施工。錨索先在迎頭進(jìn)行樹(shù)脂端錨，不用封孔，張拉預(yù)緊施加預(yù)應(yīng)力，之后通過(guò)錨索的中空結(jié)構(gòu)注入無(wú)機(jī)復(fù)合錨固材料，當(dāng)孔口流出無(wú)機(jī)錨固劑時(shí)停止注漿，實(shí)現(xiàn)錨索的全長(zhǎng)錨固。

其次，由于全長(zhǎng)錨固錨桿屬于被動(dòng)支護(hù)，同時(shí)加長(zhǎng)錨固錨桿中有很大一部分的錨固長(zhǎng)度不能用于提高錨桿極限承載能力，因此，對(duì)錨桿施工方式加以改變，錨桿安裝時(shí)，先在端部采用快速樹(shù)脂錨固，形成快速錨固區(qū)，使錨桿端頭與圍巖粘結(jié)，再施加一定的預(yù)緊力，對(duì)錨桿進(jìn)行初次張拉，然后采用中速和慢速錨固劑注漿錨固自由段，同時(shí)施加高預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)二次張拉，使得錨桿在實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固的同時(shí)施加高預(yù)緊力，由此使錨桿整體受力均勻，實(shí)現(xiàn)自由段張拉錨固。

最后，施加底角錨桿，從而使巷幫穩(wěn)定。巷道的底角應(yīng)力集中，設(shè)置底角錨桿，像一根兩端固定的梁對(duì)上方的巖體起約束位移變形的作用，以降低圍巖體中的破壞應(yīng)力，保證整個(gè)巷道的穩(wěn)定性。

4.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述支護(hù)理論，并為巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬。模擬中以潘三煤礦1621(1)工作面運(yùn)輸巷的生產(chǎn)地質(zhì)條件為背景，模型尺寸為50 m×20 m×50 m，巷道斷面為直墻拱形，斷面尺寸為4 m(寬)×3.8 m(高)，具體數(shù)值模型見(jiàn)圖14。該模擬采用摩爾庫(kù)倫模型，頂部施加18 MPa的初始應(yīng)力，水平方向施加27 MPa的水平應(yīng)力，原錨桿索施加20 kN預(yù)緊力，優(yōu)化支護(hù)方案的預(yù)緊力為60 kN。對(duì)水平方向進(jìn)行位移約束，對(duì)底部垂直方向進(jìn)行位移約束。煤巖體參數(shù)如表1所示。

圖14 數(shù)值模型Fig.14 Schematic diagram of model

分別對(duì)原支護(hù)、優(yōu)化支護(hù)條件下的運(yùn)輸巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，防止多種錨固因素的干擾，模擬中未改變錨桿索布置長(zhǎng)度、數(shù)量及間排距，計(jì)算結(jié)果如圖15所示。

圖15 支護(hù)系統(tǒng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)(單位：kPa)

Fig.15 Stress fields of surrounding rock of support system(Unit:kPa)

在錨桿預(yù)緊力作用下，自由段圍巖以受壓為主，錨固段圍巖中壓應(yīng)力區(qū)逐漸縮小。當(dāng)采用原錨固支護(hù)方案、預(yù)緊力值較小時(shí)，有效壓應(yīng)力區(qū)僅僅集中在頂板部分區(qū)域，這與實(shí)測(cè)證明的頂板是治理該巷道變形的重點(diǎn)這一結(jié)論相一致，但形成的壓應(yīng)力區(qū)域較小，而當(dāng)預(yù)緊力增大時(shí)，錨固圍巖均能得到有效約束，且隨著預(yù)緊力增大，自由段圍巖中有效壓應(yīng)力區(qū)的面積不斷增大。

通過(guò)優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，在高預(yù)緊力全長(zhǎng)錨固錨桿尾部形成了最大應(yīng)力為90 kPa的壓應(yīng)力區(qū)，在錨固段端頭形成了最大應(yīng)力為30 kPa的壓應(yīng)力區(qū)，頂板與幫部壓應(yīng)力區(qū)在錨桿控制范圍內(nèi)交匯形成了類(lèi)橢圓形的壓應(yīng)力區(qū);高預(yù)緊力全長(zhǎng)錨固錨索使壓應(yīng)力區(qū)大范圍延伸，形成具有一定厚度的承壓拱結(jié)構(gòu)，拱結(jié)構(gòu)內(nèi)圍巖壓應(yīng)力大于10 kPa。由于高強(qiáng)度錨固結(jié)構(gòu)對(duì)巷道圍巖的強(qiáng)力維護(hù)作用，淺部0～2 m范圍內(nèi)圍巖基本處于受壓狀態(tài)?？梢?jiàn)，在優(yōu)化支護(hù)作用下，錨固區(qū)域內(nèi)圍巖均處于受壓狀態(tài)，圍巖穩(wěn)定性大幅度提高。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

巷道按初始設(shè)計(jì)施工3～5 m后，應(yīng)立即安裝頂板離層儀進(jìn)行觀(guān)測(cè)，以便采取針對(duì)性的措施。頂板離層儀每隔100 m設(shè)置1個(gè)測(cè)站，其淺部基點(diǎn)安裝深度為2.5 m，深部基點(diǎn)安裝深度為8.0 m。

錨桿和錨索全部實(shí)現(xiàn)了全長(zhǎng)錨固，錨桿、錨索同步承載，協(xié)調(diào)一致;全長(zhǎng)錨固錨索與端錨錨固錨索相比，提高了錨索的抗剪切能力和系統(tǒng)的剛性，消除了端錨錨索在非錨固段的應(yīng)力集中，將載荷進(jìn)行了分散，也消除了錨索斷裂彈出的現(xiàn)象。

圖16 巷道頂板下沉量變化曲線(xiàn)Fig.16 Variation curves of roadway roof subsidence

如圖16所示，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可知，采用優(yōu)化支護(hù)方案可增大圍巖有效壓應(yīng)力區(qū)，減少?lài)鷰r變形。傳統(tǒng)支護(hù)變形量約20 d后接近400 mm，優(yōu)化支護(hù)方案使圍巖變形控制在100 mm內(nèi)，說(shuō)明圍巖變形控制效果好，可減小錨索的支護(hù)密度，提高施工速度。

5 結(jié)語(yǔ)

高應(yīng)力差和大的巷道軸向與最大水平應(yīng)力夾角是引起深井巖巷劇烈變形的主要原因，它們會(huì)導(dǎo)致巷道變形范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，使頂板較深處的圍巖具有持續(xù)較大的變形量。對(duì)于深井巖巷僅靠參照對(duì)比支護(hù)不能有效地控制變形的發(fā)生，必須采取合理的措施對(duì)巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)。

采用以地應(yīng)力測(cè)量為前提、測(cè)力錨桿全程監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)、高預(yù)緊力結(jié)合全長(zhǎng)錨固技術(shù)為核心的動(dòng)態(tài)支護(hù)優(yōu)化體系，可以對(duì)深部礦井的受力環(huán)境進(jìn)行全面、系統(tǒng)的了解，進(jìn)而優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。

地應(yīng)力實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：深部礦井以水平應(yīng)力為主，巷道頂板變形較幫部變形劇烈，頂板支護(hù)是巷道支護(hù)的重點(diǎn)，數(shù)字化測(cè)力錨桿實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)錨桿軸力以反映錨桿支護(hù)狀態(tài)。

對(duì)于巷道圍巖變形的控制，目前常用的是全長(zhǎng)錨固支護(hù)或加長(zhǎng)錨固支護(hù)方案，文中采用預(yù)緊力全長(zhǎng)錨固錨索結(jié)合高預(yù)緊力全長(zhǎng)錨固錨桿支護(hù)方案，通過(guò)施加高錨桿預(yù)緊力增加圍巖壓應(yīng)力區(qū)，配合全長(zhǎng)錨固方式改善圍巖特性來(lái)減小變形量，控制效果比較顯著。