柳 陽

（山西焦煤西山煤電調(diào)度指揮中心， 山西 太原 030053）

引言

煤炭開采深度越大，采掘巷道所處位置圍巖的變形越大，隨著煤炭資源開采深度的不斷增加，煤層的水文地質(zhì)條件更為復(fù)雜。傳統(tǒng)的錨索網(wǎng)讓壓支護(hù)方式難以滿足煤礦開采過程中維持巷道穩(wěn)定、控制巷道圍巖變形的要求。傳統(tǒng)的錨索網(wǎng)支護(hù)方式適合于淺部煤層、圍巖變形較小的地質(zhì)條件，當(dāng)煤層埋藏較深時，圍巖應(yīng)力和變形較大，傳統(tǒng)的錨索網(wǎng)讓壓支護(hù)方法難以適應(yīng)大應(yīng)力、大變形的地層條件。錨桿植入圍巖后形成一個對角線近似為錨桿長度的菱形加固區(qū)，當(dāng)錨桿間排距小于錨桿菱形加固區(qū)沿巷道走向方向的對角線長度時，錨桿菱形加固區(qū)部分重疊，在巷道圍巖內(nèi)形成連續(xù)的加固帶，極大地提高巷道圍巖抵抗巷道所處位置水土壓力和采動壓力的能力。

1 采掘巷道圍巖的破壞變形機(jī)理

1.1 巷道失穩(wěn)變形的力學(xué)簡圖

巷道圍巖是一種脆性結(jié)構(gòu)，巷道掘進(jìn)后在圍巖應(yīng)力作用下，巷道周圍形成塑性區(qū)，塑性區(qū)的破壞變形是巷道失穩(wěn)的主要原因。正常情況下，巷道變形量隨開采深度的增加逐漸增大，在我國部分埋深超過千米的煤層開采過程中，巷道頂板沉降量可以達(dá)到1 200 mm、底板底鼓量可以達(dá)到1 500 mm、兩幫破壞突出量可以達(dá)到1 000 mm，巷道圍巖變形較大，支護(hù)困難。塑性區(qū)的破壞變形是巷道失穩(wěn)的主要原因，塑性區(qū)半徑與巷道所處位置水土壓力、圍巖的力學(xué)性質(zhì)、巷道內(nèi)支護(hù)阻力有關(guān)[1]，將巷道的受力圖進(jìn)行簡化后，如圖1 所示。

圖1 巷道圍巖受力圖

圖1中：Pi表示巷道圍巖內(nèi)彈性區(qū)內(nèi)的壓力，與巷道的開采深度相比，塑性區(qū)半徑較小，一般不大于10 m，與采掘巷道所處的深度相比，塑性區(qū)半徑可以忽略，巷道圍巖內(nèi)彈性區(qū)內(nèi)的壓力近似等于巷道圍巖的水土壓力；P0表示巷道內(nèi)的支護(hù)作用力，支護(hù)作用力起支撐作用約束巷道的變形，與塑性區(qū)半徑R0成反比例關(guān)系。

1.2 巷道失穩(wěn)變形的影響因素分析

采掘巷道失穩(wěn)變形的影響因素有很多，從材料力學(xué)角度分析，主要與巷道所處位置的水土壓力、巷道上覆圍巖的物理化學(xué)性質(zhì)、巷道的內(nèi)部支護(hù)作用力和巷道所處位置的水文地質(zhì)條件等因素有關(guān)。以圓形巷道為例，當(dāng)圓形巷道在均質(zhì)圍巖中掘進(jìn)時，塑性區(qū)半徑與巷道內(nèi)支護(hù)阻力、巷道所處位置的水土壓力及圍巖的物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系如下式（1）：

式中：R0為塑性區(qū)的半徑，m；a 為圓形巷道半徑，m；P0為巷道內(nèi)支護(hù)阻力，kPa；Pi為巷道所處位置的水土壓力，kN；C 為圍巖的黏聚力，kN/m2；φ 為圍巖的內(nèi)摩擦角。

式（1）表明，巷道所處位置水土壓力越大，塑性區(qū)半徑越大，巷道截面傾向于失穩(wěn)變形，兩者成正比；支護(hù)阻力與塑性區(qū)半徑成反比。巷道內(nèi)支護(hù)作用力大小與巷道內(nèi)采取的支護(hù)措施有關(guān)，巷道所處位置水土壓力的大小與巷道所處位置深度有關(guān)。巷道所處位置深度越大，巷道收到的水土壓力越大，塑性區(qū)半徑越大，塑性區(qū)半徑與巷道所處位置深度成正比，當(dāng)其他變量不變時，塑性區(qū)半徑隨巷道所處位置深度的增大而增大，巷道趨向于失穩(wěn)變形。在不考慮圍巖特性的數(shù)值尺度時，塑性區(qū)半徑大小與圍巖特性間的定性分析如圖2。

圖2 塑性區(qū)半徑大小與圍巖特性定性分析

如圖2 所示：圖中線條A 表示塑性區(qū)半徑與內(nèi)聚力之間的變化趨勢關(guān)系，隨著內(nèi)聚力的增加，塑性區(qū)半徑急劇減小，直至趨近于0；圖中線條B 表示塑性區(qū)半徑與內(nèi)摩擦角之間的變化趨勢關(guān)系，隨著內(nèi)摩擦角的增加，塑性區(qū)半徑急劇減小，但最終趨近于常數(shù)值。

2 聯(lián)合支護(hù)理論分析

2.1 聯(lián)合支護(hù)的機(jī)理

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方法是通過向巷道圍巖內(nèi)植入錨桿錨索，利用錨桿錨桿加固區(qū)的重疊形成完整的殼體結(jié)構(gòu)，提高巷道圍巖的強(qiáng)度和剛度，同時通過深入巷道圍巖，增強(qiáng)各層圍巖層間粘結(jié)力，克服圍巖自重和下滑作用，減少巷道失穩(wěn)可能性。錨桿植入圍巖后形成一個對角線近似為錨桿長度的菱形加固區(qū)，當(dāng)錨桿間排距小于錨桿菱形加固區(qū)沿巷道走向方向的對角線長度時，錨桿菱形加固區(qū)部分重疊，在巷道圍巖內(nèi)形成連續(xù)的加固帶，抵抗原巖應(yīng)力，約束巷道變形。錨桿對圍巖的加固效果在錨桿軸線方向逐漸降低，在錨桿的菱形加固區(qū)邊緣，錨桿加固效果很小，形成加固的薄弱環(huán)節(jié)，通過在相鄰錨桿中間位置植入錨索，可以明顯提高錨桿菱形加固區(qū)邊緣圍巖的強(qiáng)度，防止錨桿加固帶上薄弱環(huán)節(jié)的破壞變形，避免在殼體結(jié)構(gòu)上形成應(yīng)力集中。在空間上，重疊的錨桿錨索加固區(qū)形成連續(xù)完整的殼體結(jié)構(gòu)，在巷道截面上，重疊的錨桿錨索加固區(qū)沿巷道外周長形成連續(xù)完整的梁型加固帶。同時，錨桿錨索穿過強(qiáng)度剛度較小的巖層，植入強(qiáng)度剛度較大的巖層中，在錨桿錨索錨固力的作用下，克服巖層的重力下滑作用，減少了圍巖內(nèi)的不同巖層的離層效應(yīng)，形成類似組合梁的結(jié)構(gòu)，降低巷道變形概率。

2.2 聯(lián)合支護(hù)力學(xué)簡圖

在巷道截面上錨桿錨索加固作用的力學(xué)簡圖如圖3。如圖所示，錨桿AB 植入巷道圍巖后，在圍巖中形成菱形加固區(qū)ADCE，C 點為錨桿插入圍巖的插入點，通過設(shè)置合理的錨桿間距，使相鄰錨桿的菱形加固區(qū)部分重疊，在空間上沿巷道走向形成完整連續(xù)的殼體結(jié)構(gòu)，在巷道截面上形成條形加固帶，如圖3 中的黑色加固條帶，對抗巷道所處位置的水土壓力。在錨桿加固的菱形加固范圍內(nèi)，在遠(yuǎn)離錨桿軸線的方向上，錨桿的加固效應(yīng)呈減小趨勢，在菱形加固范圍的邊緣，加固效應(yīng)急劇減小，形成薄弱環(huán)節(jié)，在水土壓力或采動壓力作用下，容易產(chǎn)生破壞變形，降低巷道錨桿支護(hù)的效果。在錨桿間植入錨索EF，增強(qiáng)錨桿加固帶強(qiáng)度在空間殼體結(jié)構(gòu)上的一致性，防止存在受力薄弱環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)地將錨索布置在相鄰兩個錨桿中間位置不同，將錨索布置在殼體結(jié)構(gòu)上相鄰的四根錨桿形成的四邊型的中心位置，提高錨索對菱形加固帶有效補強(qiáng)率。

圖3 錨桿支護(hù)作用機(jī)理

3 聯(lián)合支護(hù)設(shè)計

通過設(shè)置合適的錨桿間排距，使錨桿的菱形加固區(qū)重疊在空間上形成殼體結(jié)構(gòu)，在遠(yuǎn)離錨桿軸線的方向上，錨桿加固的效果逐漸減弱，因此在錨桿加固區(qū)的合適位置植入錨索，提高菱形加固區(qū)重疊形成的殼體結(jié)構(gòu)各部位強(qiáng)度的一致性，消除殼體結(jié)構(gòu)上的受力薄弱點，避免在采動應(yīng)力和巷道所處位置水土應(yīng)力下破壞變形，形成應(yīng)力集中，造成巷道失穩(wěn)變形。與傳統(tǒng)的錨桿錨索同排設(shè)置不同，設(shè)計錨索布置在相鄰四根錨桿形成的四邊形的幾何中心點，在增強(qiáng)殼體結(jié)構(gòu)各部位強(qiáng)度的一致性的同時，避免錨索等材料的浪費。錨入長度計算如下式：

式中：L 為錨桿長度，m；H 為錨索長度，m；L1為錨桿外露長度，m；L2為錨桿有效長度，m；L3為錨桿植入圍巖深度，m；H1為穩(wěn)定巖層中錨索的長度，m；H2為不穩(wěn)定巖層中錨索長度，m；H3為錨具厚度，m；H4為外露張拉長度；

將錨索布置在殼體結(jié)構(gòu)上相鄰的四根錨桿形成的四邊型的中心位置，在充分提高錨桿加固效果的同時，避免了材料的浪費。為了保證好的安全穩(wěn)定性，設(shè)計錨索的間排距與錨桿的間排距相同，充分發(fā)揮錨索的加強(qiáng)作用。錨桿的間排距計算公式：

式中：a 為錨桿間排距，m；G 為錨固力，kN/ 根；k 為安全系數(shù)；γ 為巖體容重。

4 聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模擬

利用FLAC3D 軟件對某礦104 工作面巷道頂板進(jìn)行錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模擬，104 工作面煤層平均厚度3 m，工作面巷道為矩形，巷道尺寸8.6 m×3.6 m，偽頂為平均厚度0.5 m 的泥巖，直接頂為平均厚度4.5 m 的粉砂巖，老頂為平均厚度17.5 m 的細(xì)粒砂巖。其中，直接頂最大抗壓強(qiáng)度為15 MPa，老頂層位穩(wěn)定，以石英石為主。聯(lián)合支護(hù)參數(shù)：錨桿選用金屬錨桿，直徑20 mm，長度2 500 mm，錨桿預(yù)緊力不低于150 kN，錨索選用直徑21.7 mm 鋼絞線，長度12.8 m，鋼絞線的承載力454 kN，錨桿錨索間排距700 mm，錨索布置在相鄰四根錨桿組成的四邊形的中心位置。數(shù)值模擬結(jié)果如下表1 所示：

表1 某礦104 工作面巷道頂板聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模擬結(jié)果

利用FLAC3D 軟件，記錄104 工作面巷道頂板使用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)前后的頂板下沉量和最大主應(yīng)力并進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，使用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)前，104 工作面巷道頂板在無支護(hù)狀態(tài)下，巷道頂板下沉量為84 mm，圍巖內(nèi)的最大主應(yīng)力為9.5 MPa；采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后，巷道頂板下沉量為20 mm，降低了64 mm，下降率76.19%，巷道圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力下降到6.5 MPa，降低了3 MPa，下降率31.58%。因此使用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)可以在巷道周圍形成完整連續(xù)的殼體結(jié)構(gòu)，提高巷道圍巖的強(qiáng)度和剛度，改善巷道圍巖的受力條件，明顯降低巷道圍巖的變形趨勢和圍巖內(nèi)的最大主應(yīng)力峰值。

6 結(jié)論

1）闡明了塑性區(qū)變形破壞是巷道失穩(wěn)變形的主要原因，塑性區(qū)半徑與巷道所處位置水土壓力成正比例關(guān)系，與巷道內(nèi)的支護(hù)阻力、巷道圍巖的內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚角成反比例關(guān)系。

2）對錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)加固巷道圍巖的措施進(jìn)行力學(xué)解析，并簡化了塑性區(qū)半徑計算公式，刻畫了錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的力學(xué)簡圖，并進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計。

3）利用FLAC3D 軟件對某礦104 工作面巷道頂板進(jìn)行錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模擬，結(jié)果表明，使用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，巷道頂板下沉量降低了64 mm，下降率76.19%；圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力降低了3 MPa，下降率31.58%。