吳振宇，武志明，馮瑞軍，趙傳卿，牟召倫，王海波

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦； 2.北京伊勒派斯科技有限公司)

引 言

中國(guó)許多重要的金屬礦產(chǎn)資源都是通過地下開采的方式獲得的，大多數(shù)的有色金屬礦山和黃金礦山均為地下開采礦山。隨著淺部資源的逐年回采和消失，以及現(xiàn)有部分露天礦山逐步轉(zhuǎn)入地下開采，礦山地下開采的比例越來越大。經(jīng)過幾十年的大規(guī)模開采，目前很多地下開采礦山均已進(jìn)入深部開采或即將進(jìn)入深部開采。隨著開采深度的不斷增加，地質(zhì)條件惡化，破碎巖體增多，地應(yīng)力明顯顯現(xiàn)。在深部高應(yīng)力的條件下，圍巖具有產(chǎn)生大變形的內(nèi)外部條件，圍巖的過量變形將會(huì)產(chǎn)生大量的破碎、巖層移動(dòng)、巷道底鼓、片幫、冒頂、斷面收縮、支架破壞、采場(chǎng)塌落等[1-3]，圍巖必須通過有效支護(hù)才能防止過量變形而引起的破壞。

現(xiàn)有工程中，一般采用管縫式錨桿、水泥砂漿錨桿、漲殼式錨桿、樹脂錨桿、長(zhǎng)錨索等進(jìn)行預(yù)應(yīng)力支護(hù)[4-5]。但以上傳統(tǒng)支護(hù)方式都或多或少存在預(yù)應(yīng)力小、被動(dòng)支護(hù)、抗拉拔力小、點(diǎn)接觸受力、施工工藝復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率不高等問題[6-9]。錨桿的作用機(jī)理主要是將桿體與巖體間的錨固力、黏結(jié)力及摩擦力轉(zhuǎn)化為錨桿體對(duì)巖體的軸向壓力，從而對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)的巖體進(jìn)行錨拉與懸吊，形成圍巖自身承載拱，增加硐室的承載力[10-13]。而水力式膨脹錨桿(又稱“水壓膨脹錨桿”)是一種較為新型的錨桿，它通過高壓充液，使自身擴(kuò)體，不但對(duì)圍巖巖體沿徑向產(chǎn)生錨拉與懸吊作用，而且環(huán)向?qū)鷰r施壓，使部分巖體恢復(fù)到或接近原始三向受力狀態(tài)，從而減少圍巖塑性區(qū)，進(jìn)一步發(fā)揮圍巖自身承載拱作用，大大增加了硐室的承載能力[14-17]。

1 工程概況

山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦(下稱“三山島金礦”)是山東黃金集團(tuán)有限公司的主體礦山之一，礦區(qū)位于城山公路西側(cè)400 m，其中，新立礦區(qū)位于城山公路西側(cè)新立村境內(nèi)，地處膠東半島西北部的萊州灣濱海平原地帶，其北、西兩面瀕臨渤海，僅東南與陸地相連。地勢(shì)低洼而平坦，地面海拔標(biāo)高一般為1.2～4.5 m，礦區(qū)內(nèi)最高峰為三山島，海拔為67.3 m。新立礦區(qū)坐標(biāo)為東經(jīng)119°56′15″～119°57′00″，北緯37°23′15″～37°24′00″，地理位置優(yōu)越，毗鄰渤海萊州灣畔東岸，位于山東省萊州市三山島特別工業(yè)區(qū)——渤海經(jīng)濟(jì)圈的黃金地帶；地勢(shì)較為平坦，水陸交通十分便利。新立礦區(qū)為地下開采的濱?；鶐r金屬礦山，礦體與海水間有隔水帶、第四系、風(fēng)化帶等進(jìn)行隔離，主要礦體距海平面200～2 000 m。

目前，三山島金礦普遍采用管縫式錨桿進(jìn)行巷道臨時(shí)支護(hù)，采用樹脂錨桿作為永久支護(hù)材料。管縫式錨桿支護(hù)存在錨桿抗拉拔力偏小、錨桿易腐蝕的情況。三山島金礦地下水呈弱酸性，礦巖中含有大量的硫化物，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后提高了地下水的酸性，從而使地下水的腐蝕性更強(qiáng)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在三山島金礦部分地段支護(hù)的金屬管縫式錨桿腐蝕極其嚴(yán)重，而腐蝕后的錨桿各種性能極大地減弱，不能有效維護(hù)巷道穩(wěn)定，甚至完全失去作用。而從現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞后的錨桿破壞形式來看，有些錨桿從中部發(fā)生斷裂，只有部分?jǐn)嗔训腻^桿和圍巖一起垮落；此外，調(diào)查還發(fā)現(xiàn)部分管縫式錨桿由于發(fā)生腐蝕或銹蝕，錨桿尾部的托盤處發(fā)生斷裂，導(dǎo)致托盤失效，進(jìn)而使金屬網(wǎng)脫落，巷道圍巖也發(fā)生垮冒。此外，對(duì)于三山島金礦高應(yīng)力破碎圍巖的地質(zhì)條件，由于樹脂錨桿錨固形式為端頭錨固，端頭的錨固質(zhì)量決定了錨桿能提供的實(shí)際錨固力大小。因此，樹脂錨桿端頭應(yīng)安裝至頂板穩(wěn)定巖層中，而對(duì)于破碎圍巖，端頭錨固所能提供的錨固力會(huì)減弱，使得實(shí)際支護(hù)阻力難以達(dá)到設(shè)計(jì)的錨固力，影響錨固效果。

從三山島金礦巷道支護(hù)中存在的問題可以看出：現(xiàn)有的支護(hù)技術(shù)不能有效控制地壓，傳統(tǒng)的支護(hù)方式與支護(hù)材料不能滿足深部開采的需要，現(xiàn)場(chǎng)錨桿支護(hù)參數(shù)與巖體穩(wěn)定性狀態(tài)不匹配，不能形成錨網(wǎng)與巖體的有效支護(hù)整體，也發(fā)揮不了錨網(wǎng)對(duì)巖體的擠壓而形成拱形壓縮擠壓帶；現(xiàn)用管縫式錨桿端頭破壞后錨固力不足，不能有效錨固并懸吊破碎冒落圍巖或形成有效擠壓拱；巖體及地下水腐蝕作用較強(qiáng)，現(xiàn)用金屬錨桿易被腐蝕而失去有效支護(hù)作用，導(dǎo)致巷道易發(fā)生變形垮冒。

因此，對(duì)于三山島金礦高應(yīng)力破碎礦巖，傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)和支護(hù)材料不能有效控制地壓，應(yīng)以充分利用圍巖的自穩(wěn)能力為原則，研究新的支護(hù)方法和支護(hù)材料。

1.1 礦區(qū)礦體特征

礦區(qū)現(xiàn)保有39個(gè)礦體，分為①號(hào)、②號(hào)、③號(hào)、⑤號(hào)、⑦號(hào)、⑧號(hào)礦體群。①號(hào)礦體群分布于主斷裂帶(F1)下盤緊靠主裂面的黃鐵絹英巖化碎裂巖帶中，②號(hào)礦體群賦存于①號(hào)礦體群下的絹英巖化碎裂巖帶內(nèi)的黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖中，③號(hào)、⑤號(hào)礦體群賦存于蝕變帶下盤外帶(黃鐵絹英巖化花崗巖帶)內(nèi)，⑦號(hào)礦體群賦存于主裂面上盤0～65 m的絹英巖化碎裂巖帶內(nèi)，⑧號(hào)礦體群分布于主裂面上盤約600 m處，規(guī)模較小。

①-1號(hào)礦體為礦區(qū)內(nèi)最大礦體，其礦石量占礦區(qū)總礦石量的86.8 %，金金屬量約占礦區(qū)總金金屬量的85.5 %。該礦體展布于171勘探線—S56勘探線，分布于F1主斷裂帶以下的黃鐵絹英巖化碎裂巖帶頂部或中上部，賦存標(biāo)高-10～-1 824 m。礦體呈較穩(wěn)定的大板狀，工程控制走向延長(zhǎng)一般2 450～3 400 m，最長(zhǎng)3 952 m；傾向延伸一般為200～1 600 m，最大延伸2 165 m。礦體賦存于主裂面下0～60 m的黃鐵絹英巖化碎裂巖帶中，產(chǎn)狀嚴(yán)格受新立—三山島斷裂帶控制。三山島段礦體走向16°～48°，平均走向33°，傾角32°～57°，平均42°;由北向南，礦體傾角有逐漸變陡的趨勢(shì)；由淺至深，礦體傾角有逐漸變緩的趨勢(shì)。新立段礦體走向37°～89°，平均走向71°，傾向南東，傾角30°～65°，多為40°～55°，平均52°，但在新立段南段159勘探線—171勘探線，礦體走向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，走向約17°，淺部礦體局部?jī)A向北西，傾角70°～80°；深部礦體走向北東，傾向南東。礦體形態(tài)整體呈大脈狀，局部呈似層狀和透鏡狀，形態(tài)較簡(jiǎn)單。沿走向、傾向呈舒緩波狀展布，變化程度沿走向較傾向大。礦體具膨脹狹縮、分支復(fù)合現(xiàn)象，分支礦體發(fā)育。

礦體厚度 0.92～44.29 m，單工程平均厚度12.90 m，厚度變化系數(shù)81.2 %，屬厚度變化較穩(wěn)定型礦體。礦體沿走向呈兩頭厚大、中間薄的變化特點(diǎn)；在傾向上表現(xiàn)為上部厚大、下部變薄的趨勢(shì)，西部95勘探線—171勘探線-600 m以上區(qū)域基本被大于10 m的厚大礦體所占據(jù)。-700～-1 000 m的中部，三山島段礦體厚度依然厚大，新立段礦體明顯變薄。

礦體單樣金品位最小值0.05×10-6，最大值163.89×10-6；單工程金品位1.03×10-6～23.89×10-6，平均3.00×10-6，品位變化系數(shù)167.5 %，屬有用組分分布不均勻型礦體。

三山島及新立采礦權(quán)主要開采對(duì)象均為①-1號(hào)礦體，其已開采區(qū)位于67勘探線—S16勘探線-165～-680 m(新立采礦權(quán))及S16勘探線—S56勘探線-50～-600 m(三山島采礦權(quán))。

1.2 新立-560 m西南巷地質(zhì)概況

新立-560 m水壓膨脹錨桿試驗(yàn)區(qū)巖性主要是絹英巖化花崗巖，主要礦物成分是石英、絹云母、長(zhǎng)石等，巖石較為破碎，偶爾可見滴水、淋水。根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及礦體賦存條件，節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律調(diào)查，礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量和礦巖巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果等，選擇Q分級(jí)和RMR分級(jí)2種方法進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該區(qū)域巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為：Q值為1.27，為Ⅲ級(jí)巖體；RMR值為41.4，為Ⅲ級(jí)巖體。因此，確定該區(qū)域的巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

2 水壓膨脹錨桿作用機(jī)理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理

水壓膨脹錨桿是該支護(hù)系統(tǒng)的主體元件，由桿體、閥體等部件組成(見圖1)，通過加壓膨脹為頂板(護(hù)坡時(shí)為巖體)提供強(qiáng)大摩擦力和支撐力。水壓膨脹錨桿的桿體由高強(qiáng)度、高彈性鋼管制成，沿管全長(zhǎng)有一條開縫，管的上端是錐體，管的下端焊有一個(gè)用鋼板制成的圓環(huán)。桿體壁厚為2～4 mm，水壓膨脹錨桿直徑一般為35～38 mm，鉆孔直徑一般為40～42 mm，錨桿直徑比鉆孔直徑小2～5 mm，長(zhǎng)度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行加工，開縫寬度一般為5～10 mm。水壓膨脹錨桿可以不用錨桿錘就可輕松嵌入已施工的鉆孔中，通過加壓膨脹給鉆孔巖壁以強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力，使錨桿與孔壁之間產(chǎn)生徑向擠壓應(yīng)力，并與巖壁之間形成強(qiáng)大的摩擦力，使桿體牢固地脹撐在鉆孔內(nèi)。桿體與孔壁的摩擦力便成為錨固力，甚至使松動(dòng)區(qū)巖石裂縫閉合，集懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用于一體，對(duì)井下采空區(qū)頂板形成強(qiáng)大的支撐作用。

圖1 水壓膨脹錨桿

水壓膨脹錨桿內(nèi)部水腔中被注入高壓水(或其他能凝固的漿體，如高水材料、膨脹水泥等)，可為桿體提供壓力，相當(dāng)于一次性的液壓千斤頂，在10～15 MPa 壓強(qiáng)下，桿體將沿徑向擴(kuò)張并給孔壁柱750～1 850 kN的壓力，將桿體牢牢地?cái)D壓在孔壁上，大大增加桿體與圍巖的摩擦力，達(dá)到220～550 kN，基本接近錨桿材料的抗拉強(qiáng)度。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

以長(zhǎng)1.8 m的水壓膨脹錨桿為例，在10～17 MPa壓強(qiáng)下，錨桿將沿四周擴(kuò)張并給巖壁750～1 850 kN的壓力，錨桿與巖壁形成強(qiáng)大的摩擦力，經(jīng)試驗(yàn)證明，可達(dá)到100～300 kN的抗拉拔力(巖石性質(zhì)不同，摩擦系數(shù)不同)，抗拉拔力能接近錨桿材料的極限抗拉強(qiáng)度，而一般的管縫式錨桿抗拉拔力為15～30 kN。水壓膨脹錨桿的強(qiáng)大預(yù)應(yīng)力會(huì)使頂板裂隙閉合，使松散巖石不致掉落，并形成組合拱支撐頂板，根據(jù)巖石條件錨桿網(wǎng)度可以大幅度降低，并可以將水壓膨脹錨桿加長(zhǎng)使用。傳統(tǒng)錨桿一般為1.8 m，水壓膨脹錨桿可以根據(jù)需要加工成2.5 m、3.0 m或更長(zhǎng)。若錨桿長(zhǎng)大于3.0 m時(shí)，可以將錨桿分成多節(jié)加工，進(jìn)行組合連接，可以達(dá)到十幾米或更長(zhǎng)，內(nèi)部充壓介質(zhì)更換為能凝固的漿體(如高水材料)，就會(huì)起到長(zhǎng)錨索的作用。水壓膨脹錨桿也可以與傳統(tǒng)的管縫式錨桿搭配使用，會(huì)起到更好的組合拱作用。水壓膨脹錨桿支護(hù)與傳統(tǒng)支護(hù)方式相比具有以下特點(diǎn)：

1)水壓膨脹錨桿為主動(dòng)給力支護(hù)，在巖石未形成二次變形或應(yīng)力重新分布之前就提供了強(qiáng)大的支撐力。

2)安裝簡(jiǎn)單、靈活、省力。

3)主動(dòng)提供強(qiáng)大支撐力和摩擦力。

4)可以根據(jù)井下工程需要，加工為長(zhǎng)度不等的錨桿。

5)水壓膨脹錨桿可以加工成多節(jié)，連接后注入能凝固的漿體(如高水材料)后，會(huì)達(dá)到與長(zhǎng)錨索同樣的效果和作用。但施工要比長(zhǎng)錨索簡(jiǎn)單，支護(hù)效果也比長(zhǎng)錨索效果好，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低，工作效率大幅度提高。

6)該支護(hù)和支護(hù)帽一樣屬于柔性支護(hù)，更適用于地壓較大的深井支護(hù)，對(duì)防止深井巖爆或巖崩，以及安全生產(chǎn)具有重大意義。

3 巷道水壓膨脹錨桿支護(hù)數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬以三山島金礦實(shí)際地質(zhì)條件為依據(jù)，建立三山島金礦巷道數(shù)值模型。針對(duì)可影響支護(hù)效果的錨桿排距和錨桿間距2種因素，利用Flac3D軟件，對(duì)不同方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從頂板圍巖應(yīng)力、變形、塑性區(qū)等幾個(gè)方面，分析不同支護(hù)方案對(duì)頂板的支護(hù)效果。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

模型尺寸長(zhǎng)×高×寬為60 m×43 m×20 m，以巷道斷面形狀進(jìn)行具體建模，由于巷道斷面為三心拱形，因此通過Extrusion拉伸建模的方式建立三維模型。巷道斷面為三心拱形斷面，凈寬4 600 mm，墻高2 500 mm。在巷道周圍對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，提高應(yīng)力、位移等礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)的精度。數(shù)值模型三維視圖及網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 數(shù)值模型三維視圖及網(wǎng)格劃分

從礦山巖體工程的宏觀范圍考慮，采用摩爾-庫(kù)侖屈服條件和相關(guān)聯(lián)流動(dòng)準(zhǔn)則。摩爾-庫(kù)侖模型(Mohr-Coulomb Model)能夠反映巖土材料不同抗壓強(qiáng)度的S-D效應(yīng)及對(duì)正應(yīng)力的敏感性，適用于脆性和塑性巖體的剪切破壞，但理想的彈塑性本構(gòu)模型與巖體的實(shí)際力學(xué)行為存在差別。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與井巷工程理論，計(jì)算模型邊界條件上部為垂直荷載邊界，其余各側(cè)面和底面為法向約束邊界，計(jì)算時(shí)按原巖應(yīng)力場(chǎng)考慮。為了清除邊界效應(yīng)，模型范圍取開挖巷道跨度的3～5倍。巷道圍巖視為各向同性均質(zhì)巖體，巖層材料采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，大應(yīng)變變形模式。模型的上邊界條件可簡(jiǎn)化為模型上方一定的地層壓力作用，左、右兩邊邊界有水平應(yīng)力，模型的底邊界和左、右邊界采用零位移邊界條件。數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)

在Flac3D軟件中有錨索單元和樁單元2種單元來模擬錨桿。錨索單元通過結(jié)構(gòu)單元和巖體之間的摩擦及自身的強(qiáng)度提供承載力，且只能承載軸向的拉伸和壓縮載荷。通常情況下，錨索單元適合模擬徑向錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿，這類錨桿主要提供軸向承載力。樁單元與錨索單元的不同在于除了可以提供軸力外，還可以承載彎矩。其承載能力大小與結(jié)構(gòu)單元和巖體之間的摩擦,以及結(jié)構(gòu)單元的強(qiáng)度、剛度和橫截面積有關(guān)。根據(jù)Flac3D軟件內(nèi)置結(jié)構(gòu)單元的特點(diǎn)，采用樁單元模擬水壓膨脹錨桿，對(duì)錨桿的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 不同錨桿排距巷道圍巖穩(wěn)定性分析

對(duì)巷道進(jìn)行水壓膨脹錨桿支護(hù)，每排布置5根錨桿，錨桿間距為2.0 m，錨桿排距分別為1.0 m、1.3 m、1.5 m、2.0 m，研究錨桿排距對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

1)垂直位移比較分析。不同錨桿排距下，巷道垂直位移云圖見圖3。由圖3可知：減小錨桿排距能顯著降低頂板下沉量，錨桿排距為2.0 m時(shí)，頂板最大下沉量為27.6 mm；錨桿排距減小為1.5 m時(shí)，頂板最大下沉量為24.5 mm，效果明顯；錨桿排距為1.3 m時(shí)，頂板最大下沉量為23.9 mm；錨桿排距為1.0 m時(shí)，頂板最大下沉量為23.5 mm，說明再減小錨桿排距，對(duì)抑制頂板下沉效果有限。

圖3 不同錨桿排距垂直位移云圖

2)塑性區(qū)比較分析。不同錨桿排距塑性區(qū)云圖見圖4。由圖4可知：隨著錨桿排距的減小，塑性區(qū)范圍明顯減小，錨桿錨固位置幾乎不發(fā)生塑性破壞，說明水壓膨脹錨桿能夠?qū)鷰r起到較好的加固作用，將圍巖“擠”為一體，從而提高圍巖的承載能力。

圖4 不同錨桿排距塑性區(qū)云圖

3.2.2 不同錨桿間距巷道圍巖穩(wěn)定性分析

模擬錨桿排距均為1.5 m時(shí)，不同錨桿間距對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。錨桿間距分為3種情況：每排布置5根錨桿(錨桿間距1.5 m)、每排布置5根錨桿(錨桿間距2.0 m)、每排布置6根錨桿(錨桿間距1.5 m)。

1)垂直位移比較分析。不同錨桿間距時(shí)，巷道圍巖垂直位移云圖見圖5。由圖5可知：在每排均布置5根錨桿時(shí)，減小水壓膨脹錨桿間距能顯著降低頂板下沉量。錨桿間距為2.0 m時(shí)，頂板最大下沉量為24.5 mm；錨桿間距減小為1.5 m時(shí)，頂板最大下沉量為22.9 mm，效果明顯。在每排布置6根錨桿，間距為1.5 m時(shí)，頂板最大下沉量為24.1 mm，略高于每排布置5根錨桿時(shí)，這是由于巷肩位置的2根錨桿更靠近巷幫，對(duì)頂板的懸吊作用有所減弱。

圖5 不同錨桿間距垂直位移云圖

2)塑性區(qū)比較分析。不同錨桿間距塑性區(qū)云圖見圖6。由圖6可知：在每排布置6根錨桿，錨桿間距為1.5 m時(shí)，圍巖塑性區(qū)范圍最小，說明提高支護(hù)密度能夠減小塑性破壞范圍。且在水壓膨脹錨桿錨固位置幾乎不發(fā)生塑性破壞，說明水壓膨脹錨桿能夠?qū)鷰r起到較好的加固作用，將圍巖“擠”為一體，從而提高圍巖的承載能力。

圖6 不同錨桿間距塑性區(qū)云圖

綜上可知，減小錨桿排距能降低頂板下沉量，減小塑性區(qū)分布范圍，提高頂板支護(hù)效果。

同時(shí)，減小錨桿間距也能顯著提高圍巖支護(hù)效果，在模擬中，錨桿間距減小，對(duì)減小頂板下沉量效果明顯。在錨桿間距相同時(shí)，每排布置6根錨桿時(shí)的塑性區(qū)小于每排布置5根錨桿時(shí)的塑性區(qū)，支護(hù)效果更好。而且，模擬中也發(fā)現(xiàn)，在拱頂最中間布置1根錨桿，對(duì)控制頂板最大下沉量可起一定作用?？偟膩碚f，錨桿間距越小，頂板及幫部圍巖控制效果越好。在實(shí)際施工時(shí)，也應(yīng)綜合考慮地應(yīng)力大小、頂板破碎程度等，確定錨桿間距，在地質(zhì)條件較好時(shí)可適度增加錨桿間距，但最大錨桿間距也不宜超過2.0 m。

4 工程應(yīng)用

4.1 支護(hù)方案

根據(jù)新立-560 m西南巷、西山-360 m探礦巷、西山-945 m北巷3個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的地質(zhì)力學(xué)條件，以及前述理論分析和數(shù)值模擬分析，分別提出3條巷道的水壓膨脹錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。其中，新立-560 m西南巷水壓膨脹錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案見圖7。

圖7 新立-560 m西南巷水壓膨脹錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案

4.2 錨桿抗拉拔力測(cè)試及分析

為測(cè)試水壓膨脹錨桿的錨固效果，對(duì)水壓膨脹錨桿和管縫式錨桿的抗拉拔力進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試地點(diǎn)選在新立-560 m西南巷。水壓膨脹錨桿的抗拉拔力測(cè)試分為加壓后抗拉拔力測(cè)試和泄壓后抗拉拔力測(cè)試。注水壓力取12 MPa左右，注水完畢用拉拔儀進(jìn)行拉拔，獲取加壓后水壓膨脹錨桿的抗拉拔力。6 d后對(duì)錨桿進(jìn)行泄壓，得到泄壓后抗拉拔力，錨桿抗拉拔力測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 新立-560 m西南巷錨桿抗拉拔力試驗(yàn)結(jié)果

由圖8可知：管縫式錨桿抗拉拔力為20～30 kN，而水壓膨脹錨桿抗拉拔力可達(dá)100 kN左右，泄壓后抗拉拔力依然明顯高于管縫式錨桿。這說明水壓膨脹錨桿更能對(duì)圍巖起到擠壓加固作用，提供較強(qiáng)的支護(hù)阻力，保證錨固效果。

5 結(jié) 論

1)對(duì)水壓膨脹錨桿作用機(jī)理進(jìn)行了深入分析，理論表明水壓膨脹錨桿能夠大大增加錨桿對(duì)圍巖的約束力，起到更好的錨固效果，并進(jìn)一步發(fā)揮圍巖自身承載拱作用，增強(qiáng)硐室的承載能力。

2)對(duì)巷道圍巖水壓膨脹錨桿支護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，對(duì)比分析了錨桿排距、錨桿間距、每排錨桿數(shù)等因素對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、變形、塑性區(qū)等特征的影響規(guī)律。減小錨桿排距和間距，能改善頂板支護(hù)效果。實(shí)際施工中，應(yīng)綜合考慮地應(yīng)力和頂板破碎程度，確定錨桿間、排距。

3)對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并進(jìn)行了支護(hù)效果監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。錨桿抗拉拔力測(cè)試表明，管縫式錨桿抗拉拔力為20～30 kN，而水壓膨脹錨桿抗拉拔力可達(dá)100 kN左右，泄壓后抗拉拔力依然明顯高于管縫式錨桿，說明水壓膨脹錨桿更能對(duì)圍巖起到擠壓加固作用，提供較強(qiáng)的支護(hù)阻力，保證錨固效果。