高 瑞 ，寧掌玄 ，陳 序

(1.山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037000；2.山西省煤炭地質(zhì) 115勘察院，山西大同 037000)

隨著我國淺部煤炭資源的逐步枯竭，井工煤礦開采深度正以平均8～12 m的速度逐年遞增。深部巷道支護(hù)技術(shù)在近些年取得了可喜的發(fā)展，但有效的支護(hù)方式仍是采礦工程中的薄弱環(huán)節(jié)。采礦行業(yè)一直公認(rèn)深埋巷道的支護(hù)是世界性難題[1-8]。隨著開采深度的增加，圍巖出現(xiàn)軟巖、破碎巖層占比增加的趨勢[9-10]，常規(guī)錨桿在此種圍巖支護(hù)過程中錨固力下降、支護(hù)強(qiáng)度減弱、錨桿孔壁塌孔、錨桿斷裂，巷道支護(hù)效果難以保證，出現(xiàn)“支不住、易斷裂”的現(xiàn)象[11-13]，甚至因巷道變形失穩(wěn)發(fā)生冒頂片幫等災(zāi)害事故，造成大量人員傷亡和巨額財產(chǎn)損失[14-17]。本文以深部煤層巷道的支護(hù)為研究對象，利用FLAC3D軟件數(shù)值對比分析深部煤層軟巖、硬巖開挖巷道截面切片的塑性區(qū)、巷道圍巖位移、錨桿軸應(yīng)力的差異，提出針對深部巷道支護(hù)的一種新型全脹式全錨護(hù)壁錨桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計。新型錨桿可以有效提高錨桿和圍巖的耦合承載能力，減少圍巖孔壁變形及塌孔現(xiàn)象的產(chǎn)生。該研究有助于完善深部軟巖巷道支護(hù)的理論，為軟巖巷道的支護(hù)提供了參考依據(jù)。

1 軟巖、硬巖巷道開挖數(shù)值模擬

1.1 建立數(shù)值分析模型

運(yùn)用FLAC3D軟件建立1個三維模型，本構(gòu)關(guān)系為Mohr-Coulomb。模型埋深500 m，尺寸為100 m×50 m×50 m,共劃分108 050個網(wǎng)格，模型中開挖5 m×5 m的巷道。開挖巷道過程中采用D22 mm×2 000 mm的錨桿及時支護(hù),支護(hù)方案為：巷道頂板5根錨桿，兩幫各用同型號的3根錨桿支護(hù),間排距1 250 mm×1 000 mm。模型地質(zhì)條件自上而下劃分為5組巖層，各巖層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型分別模擬深部石灰?guī)r(硬巖)、砂質(zhì)泥巖(軟巖)在開挖巷道的過程中，在支護(hù)方式不變的前提下，巷道截面切片的塑性區(qū)、巷道圍巖位移、錨桿軸應(yīng)力的差異，如圖1～圖8所示。

表1 模型力學(xué)參數(shù)

圖1 模型網(wǎng)格

圖2 巷道錨桿支護(hù)方案

圖3 硬巖巷道塑性區(qū)變化

圖4 軟巖巷道塑性區(qū)變化

圖5 硬巖巷道最大位移

圖6 軟巖巷道最大位移

圖7 硬巖巷道內(nèi)錨桿的軸應(yīng)力

圖8 軟巖巷道內(nèi)錨桿的軸應(yīng)力

1.2 結(jié)果分析

由圖可知：在石灰?guī)r(硬巖)、砂質(zhì)泥巖(軟巖)中巷道圍巖塑性區(qū)沿巷道垂直中心線呈近似對稱分布，且巷道圍巖沿徑向分別存在塑性區(qū)和松動圈。砂質(zhì)泥巖(軟巖)巷道周圍綠色部分代表現(xiàn)在和過去發(fā)生的剪切破壞，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石灰?guī)r(硬巖)。在石灰?guī)r(硬巖)和砂質(zhì)泥巖(軟巖)中巷道的最大位移均分布在巷道的頂板和底板，在石灰?guī)r中巷道頂、底板的最大位移為1.81×10-2m,在砂質(zhì)泥巖巷道頂、底板的最大位移為2.30×10-2m。砂質(zhì)泥巖巷道最大位移超出硬巖石灰?guī)r0.49×10-2m。在石灰?guī)r(硬巖)、砂質(zhì)泥巖(軟巖)中錨桿的最大軸應(yīng)力均出現(xiàn)在頂板錨桿中。在石灰?guī)r(硬巖)中錨桿的最大軸應(yīng)力為9.34×105Pa，在砂質(zhì)泥巖(軟巖)中錨桿的最大軸應(yīng)力為9.98×105Pa，軟巖中錨桿的軸應(yīng)力為硬巖錨桿軸應(yīng)力的1.06倍，且砂質(zhì)泥巖(軟巖)巷道兩幫錨桿的軸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石灰?guī)r(硬巖)。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，常規(guī)錨桿在深部軟巖巷道中存在“支不住、易斷裂”的問題。

2 新型全錨護(hù)壁錨桿的設(shè)計及功能

2.1 錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型錨桿由錐形體A/B和護(hù)壁裝置三部分組成，見圖9。在使用過程中利用鉆孔設(shè)備擴(kuò)孔后，將錨桿和護(hù)壁裝置整套嵌入鉆孔內(nèi)，當(dāng)對錨桿螺母施加扭矩時，錐形體A、B在扭矩的作用下會逐步進(jìn)入護(hù)壁裝置內(nèi)，由于錐形體A、B的直徑大于護(hù)壁裝置的直徑，且護(hù)壁裝置外表面特殊的開口設(shè)置，使其同步全長脹裂并與圍巖緊密結(jié)合。護(hù)壁裝置特殊切口如圖10所示。

圖9 新型全脹式全錨護(hù)壁錨桿的結(jié)構(gòu)示意

圖10 護(hù)壁裝置表面切口示意

2.2 新型全脹式護(hù)壁錨桿的護(hù)壁原理及作用

護(hù)壁裝置切口呈反向90°不完全貫通開切，由于護(hù)壁裝置的特殊切口設(shè)置使得錨桿在安裝過程中實現(xiàn)同步全長脹裂，脹裂后的護(hù)壁裝置對桿體周圍軟巖產(chǎn)生擠壓、支撐作用，減少了錨桿圍巖的變形量。新型錨桿利用護(hù)壁裝置與圍巖產(chǎn)生的摩擦力可以提高錨桿的單錨拉力。常規(guī)錨桿利用錨固端與圍巖的摩擦力和粘結(jié)力來傳遞載荷[18-19]。軟巖由于圍巖自身的黏結(jié)力不足，導(dǎo)致錨桿桿體易受圍巖的集中應(yīng)力發(fā)生斷裂。新型錨桿在護(hù)壁裝置全長脹裂時可以有效減少錨桿桿體的集中應(yīng)力[20-22]。在安裝過程中將錨桿和護(hù)壁裝置整套嵌入鉆孔內(nèi)并對鉆孔進(jìn)行清潔和注漿工藝處理，采用類型為K的樹脂錨固劑，該錨固劑凝固時間為41～90 s。新型全脹式全錨護(hù)壁錨桿錨固穩(wěn)定時間約為0.5 h。

3 錨桿現(xiàn)場實驗

現(xiàn)場利用型號CL-30的拉拔儀進(jìn)行錨桿拉拔試驗見圖11。該設(shè)備的最大量程為2 000 kN，可對設(shè)備實現(xiàn)循環(huán)加載，實驗過程分別采用加載速率為0.2 kN/s、0.5 kN/s、0.8 kN/s三種方式進(jìn)行加載，不同加載速率位移曲線見圖12。

圖11 拉拔儀控制面板

由圖12可知，初期加載速率越高，錨桿蠕變越大，錨桿伸長率隨時間的增大而增大，在前50 s內(nèi)錨桿蠕變不明顯，50～100 s內(nèi)蠕變明顯增大。加載速率越高，錨桿越易產(chǎn)生塑性破壞。新型錨桿較普通錨桿在支護(hù)效果上能夠減少圍巖孔壁的變形量，避免發(fā)生塌孔。同時新型錨桿利用護(hù)壁裝置全長脹裂特點增加了錨桿與圍巖的摩擦力，使其單錨拉力也優(yōu)于普通錨桿。

圖12 不同加載速率位移曲線圖

4 結(jié) 語

1) 在深部巷道中，新型錨桿可以有效避免桿體應(yīng)力集中的現(xiàn)象，減少圍巖孔壁的變形量和塌孔現(xiàn)象。

2) 新型錨桿錐形體A/B和護(hù)壁裝置可根據(jù)施工過程中的工藝和不同長度的錨桿進(jìn)行差異化定制。

3) 新型錨桿利用護(hù)壁裝置的全長脹裂特點增加了護(hù)壁裝置和圍巖的摩擦力，提高了常規(guī)錨桿在深部軟巖巷道中的單錨拉力。

4) 新型錨桿加裝護(hù)壁裝置，增加了施工中錨桿的間距，可以有效避免群錨效應(yīng)。