深部高應(yīng)力軟巖巷道耦合支護(hù)效應(yīng)研究及應(yīng)用

孟慶彬，韓立軍，張帆舸，等

摘要：目的：我國煤炭開采已從淺部逐漸進(jìn)入深部開采階段，深部軟巖巷道圍巖大變形、難支護(hù)等難題越凸顯，以錨桿和錨索耦合支護(hù)為核心的錨固與注漿分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)體系是解決深部軟巖巷道支護(hù)難題的有效技術(shù)途徑。本文針對錨桿和錨索耦合支護(hù)效應(yīng)與深部巷道穩(wěn)定控制難題，采用理論分析、數(shù)值模擬及大型三維相似材料模型試驗等綜合技術(shù)手段，力圖揭示深部軟巖巷道錨桿和錨索耦合支護(hù)效應(yīng)和錨注分步聯(lián)合控制機理。方法：首先，為較好地反映出錨桿、錨索施加后產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場，在不考慮原巖應(yīng)力場的條件下，采用FLAC3D模擬分析不同預(yù)緊力與間排距條件下（共計216個數(shù)值計算模型）錨桿、錨索產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場的分布特征，并提出采用圍巖應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)k來表征巷道圍巖應(yīng)力的擴(kuò)散特征，分析錨桿和錨索預(yù)緊力及間排距的變化對巷道圍巖位移的控制效果，力圖揭示錨桿、錨索耦合支護(hù)效應(yīng)，為其合理預(yù)緊力與間排距的設(shè)計提供依據(jù)。然后，針對朱集西礦深部巷道特征與地質(zhì)條件，基于理論分析與工程類比及數(shù)值模擬分析，提出了深部高應(yīng)力軟巖巷道采用“錨網(wǎng)索噴+U型鋼支架+注漿+底板錨注”分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案。并且，為進(jìn)一步驗證分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案對深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制效果，采用WYQ1000-1型大型真三軸地下工程綜合模擬試驗系統(tǒng)，開展了深部巷道開挖與支護(hù)耦合控制效應(yīng)相似材料模型試驗，揭示了巷道圍巖的表面位移和錨桿、錨索及U型鋼支架的受力演化規(guī)律，反映了深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制效果。最后，為檢驗分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是否可行，在淮南礦區(qū)朱集西礦東翼11煤軌道大巷和東翼11煤膠帶機大巷進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗，及時反饋監(jiān)測信息，為進(jìn)一步優(yōu)化聯(lián)合支護(hù)設(shè)計提供了原始數(shù)據(jù)和借鑒。結(jié)果：① 錨桿可控制煤巖體離層、滑動、裂隙張開等結(jié)構(gòu)面變形，保持煤巖體的完整性、連續(xù)性及穩(wěn)定性，并可改善巷道開挖后圍巖的擾動應(yīng)力場，抑制拉應(yīng)力區(qū)的產(chǎn)生，減小剪應(yīng)力區(qū)，限制煤巖體拉伸、剪切破壞的出現(xiàn)。錨索可充分調(diào)動深部穩(wěn)定煤巖體的承載能力，對圍巖施加有效約束作用；錨索施加的預(yù)緊力較大，可將錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū)抵消而轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力區(qū)，使得在錨桿與錨索錨固范圍內(nèi)的壓應(yīng)力區(qū)相互疊加，在巷道圍巖內(nèi)形成較大范圍、且完整的壓應(yīng)力主動支護(hù)區(qū)。② 基于錨桿和錨索預(yù)緊力理論分析、模型試驗與數(shù)值模擬計算綜合分析，確定預(yù)緊力合理范圍：錨桿預(yù)緊力為60～100 kN，錨索預(yù)緊力為140～180 kN；最佳預(yù)緊力組合：錨桿間排距為700 mm×700 mm，錨桿預(yù)緊力為80 kN，錨索預(yù)緊力為160 kN；此時可形成耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨桿、錨索錨固區(qū)內(nèi)壓應(yīng)力區(qū)的數(shù)值及范圍較大，并能在巷道周邊形成完整的壓應(yīng)力疊加區(qū)，可充分發(fā)揮錨桿、錨索的耦合支護(hù)效應(yīng)，保證巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定及安全，提高錨網(wǎng)索對圍巖的控制效果。③ 提高錨桿與錨索預(yù)緊力的數(shù)值時，對巷道圍巖強度參數(shù)的改變不明顯，雖然巷道圍巖塑性區(qū)范圍呈逐漸減小的趨勢，但其變化幅度較小?？刹捎米{加固技術(shù)，漿液通過擠壓或滲透作用，將破裂巖體內(nèi)的裂隙或孔隙充填密實，通過漿液的膠結(jié)作用，將破裂巖體重新膠結(jié)成一個完整體，可提高破碎巖體的強度；注漿后改善了巖體不連續(xù)面的強度和變形模量等，可大幅度地提高破裂巖體的凝聚力 c、內(nèi)摩擦角 φ，從而提高破裂圍巖的強度與自承載力，有利于深部巷道圍巖的長期穩(wěn)定及安全。④ 針對淮南礦區(qū)朱集西礦深部巷道特征與地質(zhì)條件，基于理論分析與工程類比及數(shù)值模擬分析，提出了“錨網(wǎng)索噴+U型鋼支架+注漿+底板錨注”分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案與參數(shù)，開展了大型三維相似材料模型試驗，揭示了深部高應(yīng)力軟巖巷道的表面位移和錨桿、錨索及U型鋼支架的受力演化規(guī)律。井下巷道支護(hù)實踐表明，開拓巷道圍巖頂板下沉量為 3.54～20.94 mm，兩幫內(nèi)擠量為10.36～47.36 mm，底板底臌量為5.9～33.4 mm，較好地解決了深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)難題。結(jié)論：本文采用FLAC3D分析了不同預(yù)緊力與間排距條件下錨桿、錨索產(chǎn)生的巷道圍巖支護(hù)應(yīng)力場的分布特征，定義了圍巖應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)k來表征巷道圍巖應(yīng)力的擴(kuò)散效果，揭示了錨桿、錨索預(yù)緊力耦合支護(hù)效應(yīng)。針對朱集西礦深部巷道特征與地質(zhì)條件，提出了錨網(wǎng)索噴+U型鋼支架+注漿+底板錨注分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案，開展了大型三維相似材料模型試驗，揭示了深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力演化規(guī)律，驗證了該支護(hù)技術(shù)方案的合理性與可行性；并成功應(yīng)用于井下工程實踐，較好地解決了深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)難題。

來源出版物：巖土力學(xué), 2017, 35(8)： 1424-1435

入選年份：2017