V類松動(dòng)圈巷道協(xié)同錨固技術(shù)的應(yīng)用

黃學(xué)志 郭遠(yuǎn)博 吳 松

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)永煤公司順和煤礦)

1 工程概況

順和煤礦－702 m水平西翼軌道運(yùn)輸大巷布置在二疊系下統(tǒng)下石盒子組三煤段和山西組二煤段上部細(xì)碎屑巖中，平均抗壓強(qiáng)度27 MPa，屬二類頂?shù)装?。根?jù)巷道勘探結(jié)果和實(shí)際揭露的地質(zhì)資料分析，在其通尺150～350 m段，穿越地層為三煤組含煤地層，巖性以厚層砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，中間賦存三4、三2等5～7層薄煤層或炭質(zhì)泥巖。圍巖破碎且變化相對(duì)平緩，地應(yīng)力較大，工程地質(zhì)條件差，支護(hù)難度較大。通尺150～350 m段煤巖力學(xué)參數(shù)如表1，綜合地質(zhì)柱狀圖及剖面圖見(jiàn)圖1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

圖1 150～350 m綜合地質(zhì)示意

2 圍巖松動(dòng)圈的測(cè)定［1］

結(jié)合目前地質(zhì)條件，首先需要判斷巷道圍巖的破碎度，即“松動(dòng)圈”。通過(guò)RAMAC地質(zhì)雷達(dá)對(duì)順和煤礦巷道圍巖松動(dòng)破裂范圍探測(cè)，雷達(dá)探測(cè)測(cè)線沿巷道軸向布置，測(cè)線位置分別位于巷道左幫、右?guī)?、底板和頂板處，測(cè)得西翼軌道運(yùn)輸大巷橫斷面圍巖松散范圍為2～2.2 m，局部接近2.5 m。按照巷道圍巖松動(dòng)圈分類，該巷道處于大松動(dòng)圈中的V類松動(dòng)圈中，巷道表現(xiàn)出軟巖特征，圍巖在經(jīng)過(guò)一段變形之后會(huì)進(jìn)入穩(wěn)定期。一般的剛性或普通錨網(wǎng)噴支護(hù)難以適應(yīng)，須采用新型錨噴網(wǎng)或U型鋼可縮支架才能滿足要求［2］。

3 協(xié)同錨固方案的確定［3］

針對(duì)西翼軌道運(yùn)輸大巷穿越三煤組段大松動(dòng)圈、地質(zhì)條件差的情況，根據(jù)地質(zhì)柱狀圖及剖面圖并結(jié)合東翼大巷同地層支護(hù)參數(shù)，確定該段巷道新支護(hù)方案——協(xié)同支護(hù)?；阱^桿錨索及附屬支護(hù)系統(tǒng)，合理發(fā)揮其群錨工作性能，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)協(xié)同支護(hù)(圖2)。

圖2 巷道斷面協(xié)同支護(hù)示意

通尺150～350 m段巷道揭露的煤線較薄，采用“錨－網(wǎng)－索－噴－注”協(xié)同支護(hù)形式，錨桿采用22 mm×2 800 mm高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿，每根錨桿配1卷MSK2550(里側(cè))和1卷MSZ2550(外側(cè))樹(shù)脂錨固劑，預(yù)緊力矩為200 N·m，錨桿間排距800 mm×800 mm，矩形布置。鋼筋梯采用12 mm圓鋼焊接而成，由2種規(guī)格組成，A種鋼筋梯每架長(zhǎng)3 280 mm，B種鋼筋梯每架長(zhǎng)2 480 mm，孔距均為800 mm。巷道的8根頂錨通過(guò)1架A種鋼筋梯和1架B種鋼筋梯連接一起，兩幫的幫錨則通過(guò)2架B種鋼筋梯與頂錨連成一體。

錨索采用18.9 mm×7 500 mm的鋼絞線，使用2卷MSK2550和2卷MSZ2550樹(shù)脂錨固劑。錨索每1.6 m布置1排，每排布置3根，均勻分布在正頂和兩肩窩，間距1 800 mm，錨索用鋼筋梯進(jìn)行縱向間斷連接，錨索用鋼筋梯每架長(zhǎng)1 680 mm，孔距1 600 mm，采用14 mm圓鋼焊接而成。巷道兩幫布置2根18.9 mm×5 500 mm底角錨索，安裝在底板上400 mm，角度向下斜與水平線成30°夾角。底板布置3個(gè)7 5mm注漿孔注漿并埋注長(zhǎng)7 500 mm錨索各1根，待注漿結(jié)束后，對(duì)錨索進(jìn)行加壓，起到預(yù)防底鼓的效果。

4 支護(hù)方案的可靠性分析［4］

此協(xié)同錨固技術(shù)是在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，基于錨桿支護(hù)的組合拱理論及錨索的懸吊理論兩者的協(xié)同作用，利用錨桿和錨索的不同張力作用對(duì)松動(dòng)圈內(nèi)破裂巖體進(jìn)行加固以約束其碎脹變形，充分發(fā)揮錨護(hù)構(gòu)件和錨護(hù)結(jié)構(gòu)的最佳性能，使錨護(hù)系統(tǒng)功能在宏觀整體上大于各子系統(tǒng)之簡(jiǎn)單總和，即產(chǎn)生“1+1＞2”的協(xié)同錨固系統(tǒng)增強(qiáng)效應(yīng)，從而有效改變巷道圍巖錨護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，減少應(yīng)力集中和較大變形［5］。

(1)錨桿預(yù)緊力分析。錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩之間的關(guān)系可表示為

式中，P為錨桿預(yù)緊力，M為螺母預(yù)緊力矩，k為影響系數(shù)。k值參考表2。

表2 系數(shù)k經(jīng)驗(yàn)參考值

根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式，采用22 mm×2 800 mm高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿，檢測(cè)扭矩設(shè)定為200 N·m(即用扭矩扳手檢測(cè)時(shí)，扭矩達(dá)到200 N·m前螺母擰不動(dòng))，則錨桿預(yù)緊力為P=0.39×200=78 kN，完全滿足設(shè)計(jì)的60 kN。

經(jīng)過(guò)理論公式的驗(yàn)證及松動(dòng)圈理論，選用22 mm×2 800 mm高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿是完全可行的。同時(shí)為了增加錨桿軸力對(duì)巷道表面巖體的作用面積，使用鋼筋梯進(jìn)行支護(hù)，減少對(duì)孔口巖體的破壞。

(2)錨索打設(shè)部位。通過(guò)數(shù)值模擬分析協(xié)同支護(hù)下圍巖受力情況可知，在巷道的兩肩窩及兩幫底角處是應(yīng)力集中區(qū)，需要加強(qiáng)支護(hù)，見(jiàn)圖3所示。此時(shí)，在關(guān)鍵部位打設(shè)錨索進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，錨固巖層層位距巷道較遠(yuǎn)，受到圍巖擾動(dòng)比較小，穩(wěn)定性好。能有效地降低應(yīng)力集中區(qū)受力，使錨桿組合拱系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨索采用18.9 mm×7 500 mm鋼絞線，現(xiàn)場(chǎng)張拉儀張拉至40 MPa，根據(jù)計(jì)算得錨索預(yù)緊力為120 kN，滿足設(shè)計(jì)的預(yù)緊力100 kN。

圖3 錨索－深部圍巖相互作用的數(shù)值模擬

(3)錨桿、錨索協(xié)同錨固應(yīng)力分析。由圖4的Miss應(yīng)力分布情況看出，在錨桿、錨索不協(xié)同錨固下巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，且底板應(yīng)力較大，易導(dǎo)致巷道底鼓。在實(shí)施協(xié)同支護(hù)后的應(yīng)力集中區(qū)明顯減小，底板的應(yīng)力集中趨于消失，避免了巷道底鼓，同時(shí)應(yīng)力集中分布較為均勻。

圖4 Miss應(yīng)力分析

5 實(shí)驗(yàn)巷道工程監(jiān)測(cè)［5］

西翼軌道大巷試驗(yàn)段每30 m布置1組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量水平收斂、拱頂下沉及底鼓量，各個(gè)測(cè)點(diǎn)選在有代表性的圍巖中，測(cè)點(diǎn)布置如圖5。測(cè)量工具采用SLJ－02收斂計(jì)，讀數(shù)精度高，測(cè)量誤差小。測(cè)量頻率是:1～15 d為1次/d，16 d～1個(gè)月為0.5次/d，1～3個(gè)月為1次/周，超過(guò)3個(gè)月為1次/月。實(shí)際量測(cè)頻率根據(jù)施工的具體情況，由量測(cè)值的變化率和變化量作相應(yīng)調(diào)整。

每組測(cè)點(diǎn)布置4個(gè)點(diǎn)，每次測(cè)量出AB、AC、BC、AD、BD的角度，通過(guò)三角形面積公式可以計(jì)算出拱頂h1和h2，從而計(jì)算出下沉量和底鼓量。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)，巷道兩幫及頂?shù)装迨諗孔冃瘟咳鐖D6所示。

圖6 巷道位移變化趨勢(shì)

從圖6可以看出，經(jīng)過(guò)近1個(gè)月的壓實(shí)穩(wěn)定，巷道已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。巷道兩幫最大移近量在50 mm范圍內(nèi)，頂?shù)装遄畲笠平吭?0 mm范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也滿足生產(chǎn)的需要。通過(guò)巷道圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律分析，協(xié)同錨固技術(shù)降低了原巖體內(nèi)掘進(jìn)巷道引起的圍巖應(yīng)力，避免了出現(xiàn)應(yīng)力集中，圍巖仍然處于彈性狀態(tài)。因此所采用的支護(hù)形式及參數(shù)是符合巷道要求的。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析［6］

通過(guò)同地層段東西翼大巷經(jīng)濟(jì)分析，西翼軌道運(yùn)輸大巷采用錨網(wǎng)噴鋼筋梯新型協(xié)同支護(hù)形式，與同樣地質(zhì)條件下采用架棚支護(hù)相比，縮短了工期，節(jié)省了費(fèi)用。見(jiàn)表3。

7 結(jié)論

(1)巷道圍巖松動(dòng)圈的確定是巷道支護(hù)形式確定的一個(gè)重要依據(jù)。按照圍巖應(yīng)力及松動(dòng)圈理論設(shè)計(jì)支護(hù)方案，確保支護(hù)系統(tǒng)具有足夠的安全系數(shù)。

表3 經(jīng)濟(jì)效益分析

(2)“錨－網(wǎng)－索－噴－注”協(xié)同支護(hù)，避免了巷道圍巖應(yīng)力集中，降低了圍巖應(yīng)力，增加了圍巖強(qiáng)度，改善了圍巖受力條件和賦存環(huán)境，有效地控制了圍巖的變形、破壞，優(yōu)化了圍巖受力條件和賦存環(huán)境。

(3)由于該礦水平應(yīng)力偏大，兩幫和底角是巷道圍巖的主要承力部位，是破碎區(qū)、塑性區(qū)最發(fā)育的部位，對(duì)上述關(guān)鍵部位采用底角錨索加底板注漿，提高了破碎區(qū)、塑性區(qū)的巖石強(qiáng)度，有效控制了巷道底鼓量。

［1］ 劉紅崗，賀永年，韓立軍，等.大松動(dòng)圈圍巖錨注與預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的機(jī)理與實(shí)踐［J］.中國(guó)礦業(yè)，2007(16):62-65.

［2］ 范鐵錘，王景余，段現(xiàn)軍，等.大圍巖松動(dòng)圈巷道支護(hù)研究［J］.礦山壓力與頂板管理，2000(2):14-15.

［3］ 初明祥，梁廣鋒.巖石巷道錨桿支護(hù)系統(tǒng)可靠性研究［J］.煤炭工程，2012(2):60-62.

［4］ 李 元，劉 剛，龍景奎.深部巷道預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護(hù)數(shù)值分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011(6):204-209.

［5］ 李偉利，王 磊，常聚才.基于Hoek－Brown準(zhǔn)則的圍巖松動(dòng)圈計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試［J］.煤炭工程，2011(2):97-99.

［6］ 末宏偉，鹿守敏，周榮章.大松動(dòng)圈軟巖巷道支護(hù)［J］.建井技術(shù)，1994(4):19-22.