吳永濤，鐘周穎，吳義泉，唐慶騰，趙藝偉

(1.皖北煤電集團(tuán)朱集西分公司朱集西煤礦，安徽 淮南 232097；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221100)

0 引言

隨著淺部煤炭資源的日漸枯竭，礦井開采由淺部向深部發(fā)展是必然的客觀規(guī)律，超千米深井也在不斷增加[1]。在超千米深井高應(yīng)力條件下，巷道圍巖呈現(xiàn)出明顯的軟巖變形特征，礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈[2]。錨桿索支護(hù)作為深部巷道支護(hù)的主要手段，對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)起到支撐作用[3-4]。

目前，國內(nèi)許多學(xué)者也提出了自己的巷道圍巖支護(hù)及控制理論，康紅普等[5-8]提出了聯(lián)合支護(hù)理論，認(rèn)為不能單純的提高支護(hù)體的剛度來增加巷道支護(hù)的承載性，要先柔后鋼、先抗后讓、柔讓適度、穩(wěn)定支護(hù)。由此提出了錨網(wǎng)噴技術(shù)、錨網(wǎng)噴架等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。陸士良等[9-12]深入研究錨桿錨固力作用機(jī)理后認(rèn)為，巷道開挖后，圍巖已完成彈塑性變形，其峰后剪脹變形使錨桿產(chǎn)生錨固力，剪脹變形的繼續(xù)發(fā)展使錨桿產(chǎn)生徑向和切向阻力，使圍巖在較高的應(yīng)力狀態(tài)下穩(wěn)定平衡。何滿潮等[13-14]提出了工程地質(zhì)學(xué)支護(hù)理論，認(rèn)為支護(hù)就是將導(dǎo)致圍巖變形的復(fù)合力學(xué)機(jī)制合理轉(zhuǎn)為單一型。為此，在考慮掘進(jìn)影響下，以安徽淮南朱集西煤礦13-1煤層回采巷道為工程背景，在現(xiàn)場(chǎng)開展了工業(yè)試驗(yàn)，對(duì)超千米深井巷道錨桿索承載規(guī)律展開研究。

1 工程背景

13-1煤五采區(qū)首采面13501工作面設(shè)計(jì)為傾斜長壁工作面，走向?qū)挒?05 m，回采長度1 412 m，回采標(biāo)高-984.3～-881.0 m。13501工作面順槽斷面為矩形，凈斷面寬為5.2 m，高為3.4 m。錨桿采用φ22 mm×2 800 mm左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨索采用SKP22-1/1860型1×19股高強(qiáng)錨索，長度6.3 m，間、排距為1 200 mm×1 600 mm。錨索加固錨桿支護(hù)形成的淺部圍巖結(jié)構(gòu)，將其懸吊于更穩(wěn)定的上覆巖層大結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)“小結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定性。錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)方案Fig.1 Roadway support scheme

2 錨桿索受力監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)站布置

朱集西煤礦13501工作面已經(jīng)開始回采，對(duì)13501工作面順槽進(jìn)行錨桿、錨索受力監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)巷道長度為整條順槽，為監(jiān)測(cè)掘進(jìn)影響期間巷道錨桿索承載規(guī)律，確定布置一處測(cè)站。測(cè)站位于8號(hào)點(diǎn)前43 m處。錨桿索承載特性測(cè)站平面布置圖如圖2所示。

圖2 錨桿索承載特性測(cè)站布置Fig.2 Observation station layout of anchor cable bearing capacity

2.2 錨桿受力監(jiān)測(cè)

錨桿桿體受力監(jiān)測(cè)采用錨桿液壓枕和測(cè)力錨桿共同監(jiān)測(cè)，分別監(jiān)測(cè)錨桿實(shí)際承載過程中提供的托錨力和桿體受力狀態(tài)[15]。

測(cè)力錨桿按照橋式電阻的工作原理制成。采用電阻應(yīng)變片作為敏感元件，電阻應(yīng)變片與測(cè)力錨桿的桿體粘貼在一起，同步變形，將測(cè)力錨桿應(yīng)變片按圖3進(jìn)行編號(hào)。通過測(cè)量應(yīng)變片的電阻變化即可測(cè)出桿體的應(yīng)變值，從而計(jì)算出桿體的應(yīng)力值。

圖3 測(cè)力錨桿應(yīng)變片編號(hào)Fig.3 Strain gauge number of force measuring bolt

2.3 錨索受力監(jiān)測(cè)

錨索承受荷載測(cè)試是測(cè)試巷道支護(hù)后錨索實(shí)際受力狀態(tài)的一種原位測(cè)試方法，主要反映錨索和其他構(gòu)件對(duì)圍巖的實(shí)際支護(hù)阻力[16]。錨索荷載由MGH-300型錨索測(cè)力計(jì)來觀測(cè)，該測(cè)力計(jì)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝、使用簡單，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、直觀等特點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)錨索軸向力方面得到了廣泛應(yīng)用。

2.4 錨桿索安裝要求及測(cè)量方法

安裝測(cè)力錨桿時(shí)，只需用相應(yīng)規(guī)格測(cè)力錨桿全斷面替換原有普通錨桿，并清晰編號(hào)即可。安裝錨索時(shí)，把錨索測(cè)力計(jì)套在錨索墊板(托盤或托梁)和外錨固端的錨具之間，測(cè)得錨索工作時(shí)的軸向力。安裝時(shí)對(duì)錨桿索施加需求的預(yù)應(yīng)力，錨桿索測(cè)力計(jì)安裝結(jié)束后馬上進(jìn)行初讀數(shù)。根據(jù)前后2次讀數(shù)的差異程度決定觀測(cè)的頻率，若前后2次讀數(shù)的差別較大，則應(yīng)減小相鄰2次觀測(cè)的時(shí)間間隔，否則應(yīng)加大相鄰2次觀測(cè)的時(shí)間間隔，直到數(shù)據(jù)趨向穩(wěn)定。

3 錨桿索受力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 錨桿受力分析

3.1.1 左幫測(cè)力錨桿受力分析

左幫分析1號(hào)、2號(hào)測(cè)力錨桿，其錨桿桿體受力變化圖如圖4所示。從1號(hào)測(cè)力錨桿可以看出，隨著時(shí)間推移，距掘進(jìn)迎頭距離增大，桿體各個(gè)測(cè)點(diǎn)的受力也都有增大。距孔口0.4 m、0.8 m、1.2 m、2.0 m、2.4 m處測(cè)點(diǎn)桿體受力均在距掘進(jìn)迎頭34.6 m處增長到最大值，而1.6 m處測(cè)點(diǎn)桿體受力在63 m處增長到最大值249 kN，說明此處的圍巖變形主要發(fā)生在幫壁內(nèi)1.6 m處左右。2.4 m處桿體的受力較小，分析原因在2.4 m處可能存在圍巖裂隙導(dǎo)致受力較小。從2號(hào)測(cè)力錨桿可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)基本相同，都是隨距掘進(jìn)迎頭的距離增大而逐漸增大，但各測(cè)點(diǎn)受力變化也有一些不同，1.6 m測(cè)點(diǎn)處桿體受力最大。上述2根錨桿均位于巷道左幫，從圖中可明顯看出，錨桿的受力均是錨固段大于自由段。

圖4 左幫測(cè)力錨桿受力變化Fig.4 Force change of left side force measuring bolt

3.1.2 頂板測(cè)力錨桿受力分析

頂板分析5號(hào)、6號(hào)測(cè)力錨桿，其錨桿桿體受力變化圖如圖5所示。從5號(hào)測(cè)力錨桿安裝在測(cè)站頂板的中心位置可以看出，5號(hào)測(cè)力錨桿內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)處桿體受力增幅較小，錨桿桿體受力增幅最大的測(cè)點(diǎn)為1.6 m測(cè)點(diǎn)處，增長16 kN，而2.4 m測(cè)點(diǎn)處錨桿桿體受力沒有增長也沒有減小。5號(hào)測(cè)力錨桿所在位置頂板圍巖在錨固范圍內(nèi)2.4 m處受到的應(yīng)力最大，達(dá)到了195 kN。其原因是5號(hào)測(cè)力錨桿前后各有2根錨索，因?yàn)樵阱^索錨固范圍內(nèi)頂板深部圍巖產(chǎn)生拉伸變形，錨索托錨力以較大的幅度增加，但測(cè)力錨桿桿體受力變化不大。如果將錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體來考慮，則錨索支護(hù)表現(xiàn)出了較好的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償作用。

圖5 右?guī)蜏y(cè)力錨桿受力變化Fig.5 Force change of right side force measuring bolt

6號(hào)測(cè)力錨桿2.0 m測(cè)點(diǎn)處桿體受力的錨桿桿體受力最大，達(dá)到了210 kN，其余錨桿大部分桿體最大受力點(diǎn)在1.6 m處。這表明受掘進(jìn)影響頂板離層主要發(fā)生在1.6 m、2.0 m錨桿錨固范圍內(nèi)圍巖中?？梢钥闯?號(hào)測(cè)力錨桿桿體整體受力穩(wěn)定，巷道頂板右側(cè)圍巖穩(wěn)定，支護(hù)效果好。

3.1.3 右?guī)蜏y(cè)力錨桿受力分析

右?guī)头治黾绺C處7號(hào)測(cè)力錨桿，其錨桿桿體受力變化如圖6所示。7號(hào)測(cè)力錨桿內(nèi)0.4 m、0.8 m、1.2 m、1.6 m測(cè)點(diǎn)處桿體受力隨著距掘進(jìn)迎頭距離的增大而增大，在距掘進(jìn)迎頭82.2～102 m桿體受力基本趨于穩(wěn)定。而2.0 m、2.4 m測(cè)點(diǎn)處桿體受力在距掘進(jìn)迎頭53.8m時(shí)達(dá)到峰值，分別為186 kN、114 kN，比其他測(cè)點(diǎn)處桿體受力更早趨于穩(wěn)定。這說明初期錨桿錨固1.6～2.4 m圍巖離層較大，但圍巖在錨桿的錨固作用下是穩(wěn)定的。

圖6 7號(hào)測(cè)力錨桿桿體受力變化Fig.6 Force change of No.7 force measuring bolt

3.1.4 錨桿托錨力分析

錨桿液壓枕壓力值的變化趨勢(shì)如圖7所示。由圖可見，1號(hào)、3號(hào)、7號(hào)、9號(hào)錨桿液壓枕的壓力值普遍大于其余錨桿，這是由于巷道兩幫肩窩、底角處均處于應(yīng)力集中區(qū)，圍巖變形、破碎嚴(yán)重，所以在這些部位的錨桿液壓枕壓力值均較大。位于巷道頂部中央的5號(hào)錨桿液壓枕壓力值基本趨于穩(wěn)定，這表明頂板圍巖沒有產(chǎn)生較大的頂板離層、破碎和變形。錨桿液壓枕壓力值隨距掘進(jìn)迎頭距離增加而增大，但均趨于穩(wěn)定。

圖7 測(cè)力錨桿托錨力與掘進(jìn)迎頭距離關(guān)系Fig.7 Relationship between anchor force of force measuring bolt and distance of heading face

3.2 錨索受力分析

巷道頂板錨索布置方式為五四相間布置，3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)錨索安裝在一排5根的左中右位置，1號(hào)、2號(hào)錨索布置在一排4根錨索中，與3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)錨索相間布置。錨索受力情況如圖8所示。一般來說，初次張拉力高，在工作過程中錨索能夠保持較高的工作阻力，如3號(hào)錨索；初次張拉力小，錨索受力則變化不大。這說明錨索同錨桿一樣，安裝初期較高的張拉力，可以提高錨索的工作阻力，充分發(fā)揮錨索的主動(dòng)支護(hù)作用。

圖8 測(cè)站錨索受力變化Fig.8 Force variation of anchor cable in observation station

安裝初期，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)錨索受力值分別為240 kN、110 kN、140 kN、140 kN、100 kN，在隨后連續(xù)3天的測(cè)試中，位于頂板正頂部的4號(hào)錨索，以及最近的1號(hào)錨索，增阻速度最快，錨索受力也最大，1號(hào)、4號(hào)錨索受力剛開始就出現(xiàn)急劇增加，達(dá)到測(cè)力計(jì)的測(cè)量峰值400 kN，1號(hào)、4號(hào)錨索增阻性能好，并且在支護(hù)過程中保持較高的錨固力。其余3根錨索2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)壓力值也處于增長階段，其中2號(hào)和5號(hào)錨索增速基本一致且增速緩慢，在距離掘進(jìn)迎頭135 m處2號(hào)錨索測(cè)力計(jì)壓力值為316 kN，5號(hào)錨索測(cè)力計(jì)壓力值為244 kN，均趨于穩(wěn)定。3號(hào)錨索增阻速度相對(duì)于2號(hào)、5號(hào)錨索較大，但在距掘進(jìn)迎頭135 m后趨于穩(wěn)定，達(dá)到峰值384 kN。1號(hào)、2號(hào)錨索布置在同一個(gè)斷面，與巷道中間位置呈對(duì)稱關(guān)系，但由于1號(hào)錨索初次張拉力比2號(hào)錨索大，因此1號(hào)錨索增阻快，并且保持很高的錨固力；3號(hào)、4號(hào)錨索初次張拉力均為140 kN，但4號(hào)錨索受力增長更快，具有更高的錨固力，3號(hào)錨索受力增長則較慢，但最終錨固力也達(dá)到了395 kN。這說明頂板中部錨索受力更大且初次張拉力越高，增阻越快，錨固力越高，支護(hù)效果更好。

2號(hào)錨索布置在5號(hào)錨索左側(cè)，相比5號(hào)錨索更靠近頂板中部，且2號(hào)錨索初始托錨力只比5號(hào)錨索大10 kN，但趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，2號(hào)錨索比5號(hào)錨索受力大72 kN，以及1號(hào)、4號(hào)錨索受力大于其余3根錨索，說明頂板中部相對(duì)于靠近幫部的頂板圍巖變形較大；3號(hào)錨索受力大于2號(hào)、5號(hào)錨索，可以看出巷道頂板左側(cè)錨索、錨桿受力要大于巷道頂板右側(cè)。

4 存在的問題及改進(jìn)建議

受11502工作面采動(dòng)影響前13501軌道順槽頂板錨桿受力較小，而頂部錨索受力較大，沒有充分發(fā)揮錨桿的承載能力，這是由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)錨桿預(yù)緊力矩僅僅達(dá)到200 N·m，大部分圍巖壓力被錨索承載，錨桿索沒有形成良好的協(xié)同作用。

13501工作面軌道順槽左側(cè)幫部錨桿受力整體大于右側(cè)幫部錨桿受力，頂板靠左側(cè)錨索受力也偏大于右側(cè)錨索受力，這可能與下覆11501工作面回采有關(guān)，需進(jìn)一步研究。

作為掘進(jìn)影響期間巷道，煤巷測(cè)點(diǎn)頂板離層量以及巷道表面位移偏大，具體原因有2點(diǎn)。一是現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，錨桿預(yù)緊力沒有按照方案設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，錨桿預(yù)緊力僅為200 N·m；二是從3號(hào)測(cè)點(diǎn)往工作面掘進(jìn)方向，巷道從下覆11號(hào)煤層工作面開采后的煤柱上方向采空區(qū)上方推進(jìn)，由于上述測(cè)點(diǎn)均受到11號(hào)煤層回采后所產(chǎn)生的煤柱支承壓力影響，所以礦壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈。

5 結(jié)論

(1)巷道掘進(jìn)對(duì)巷道圍巖影響周期較長、影響范圍大，影響距離約為82 m，巷道掘出12 d左右，圍巖活動(dòng)趨于穩(wěn)定。

(2)掘進(jìn)影響過程中錨桿、錨索托錨力大小，與錨桿、錨索初期的預(yù)緊力矩和掘進(jìn)影響過程中的巷道圍巖變形性質(zhì)緊密相關(guān)。

(3)隨著工作面推進(jìn)，受掘進(jìn)影響，幫部底角和肩窩處的錨桿托錨力逐漸增大，是錨網(wǎng)基本支護(hù)承載結(jié)構(gòu)受力最大的部位。因此后期在經(jīng)受下煤層采動(dòng)影響時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該部位巷道圍巖變形情況，必要時(shí)根據(jù)錨網(wǎng)支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖進(jìn)行補(bǔ)償加固。

(4)在施工過程中應(yīng)該強(qiáng)化施工監(jiān)督，保證施工質(zhì)量，錨桿索均應(yīng)垂直于巷道圍巖表面施工，以錨桿索的高預(yù)緊力保證錨桿索在工作初期快速增阻，抑制圍巖裂隙發(fā)展，確保整個(gè)圍巖承載結(jié)構(gòu)在受到掘進(jìn)影響過程中，處于高強(qiáng)穩(wěn)定狀態(tài)。

(5)根據(jù)千米深井高應(yīng)力軟巖巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理，針對(duì)朱集西煤礦13501工作面軌道順槽地質(zhì)條件，提出高強(qiáng)穩(wěn)定型錨網(wǎng)索基本支護(hù)+錨桿索支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)闹ёo(hù)方案，提高錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及承載能力，達(dá)到支護(hù)-圍巖共同承載的目的，從而有效控制此類巷道圍巖的強(qiáng)烈變形。