高地壓軟巖巷道錨架組合支護機理與技術

李敬佩，經來旺，楊仁樹，郝朋偉，經 緯，郭東明

(1.中國礦業大學 (北京)力學與建筑工程學院，北京100083;2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南232001;3.淮北礦業股份有限責任公司，安徽淮北235025)

長期以來，關于高地壓軟巖巷道支護技術的研究，公開發表的文獻很多［1－7］，但就支護機理的研究而言，大多偏向于某種單一支護情況的機理分析，如錨網支護、架棚支護、二次支護［8－9］、注漿加固、網殼支護、底角錨桿［10］、雙網雙盤［11］等其他支護形式［12－13］。關于某些組合支護，雖然也有些文獻涉及機理研究［14－15］，取得了很多可喜的成果，但力學機理方面尚存在需完善之處，某些文獻［16］僅借助于數值模擬進行了一定程度的分析，但由于數值模擬研究在很多情況下存在較為主觀的因素，因此難以準確反映問題的本質。目前我國絕大多數高地壓、軟巖巷道也在追求復合支護結構，如錨網+套棚支護型式、二次錨網支護等，但由于在力學機理方面缺乏較為深入地研究，不是支護效果不盡人意，就是支護成本太高。實際上，關于錨桿支護效應、棚架支護效應和網殼支護效應的研究，公開發表的文獻極少，而這恰是支護設計的關鍵所在。現場實測表明，很多變形、破壞嚴重的巷道，錨桿的實際受力遠小于桿體本身的強度，很多情況下，錨桿受力在50kN以下，而直徑22mm錨桿的拉斷力高達250.8kN(HRB500)、311.6kN(HRB600)，因此可以確定，很多情況下巷道的變形與破壞并不是因為錨桿的強度問題。對于棚架巷道，很多人一直將棚架材料的強度視為支架承載力的一個標準，于是在巷道變形嚴重的地段常使用大型號U型鋼以提高支護強度，可以說這是一個錯誤的認識。實際上，棚架的承載力不僅與材料本身的強度有關，而且與結構的強度關系密切。依據棚架的實際受力情況，合理設計棚架的結構可以大幅提高棚架的承載能力，本項目正是基于錨桿的實際受力效應與棚架的結構承載效應的合理組合而進行立項研究的。

本項目的一個十分突出的亮點在于錨桿的長度小于松動圈的范圍，本項目的另外一個亮點在于錨桿以金屬支架作為其托盤，錨桿的承載能力得以充分發揮，本項目的第三個亮點在于金屬支架有效提高了錨桿在松動圍巖中的錨固力，而錨桿則大幅提升了金屬支架的承載能力，從而達到一種相互促強的組合效應。由于在力學機理方面對支護機理和支護效應進行了一種全新的挖掘和確定，故研究成果對目前國內外高應力軟巖巷道的支護設計具有較大的指導意義。

1 錨架組合支護機理

單純的錨桿支護最大的問題在于錨桿錨固能力難以有效發揮。很多變形非常嚴重的巷道，錨桿的錨固力僅達到60～100kN，距離錨桿的極限承載力還很遠，其原因主要在于巷道表面的支護強度較弱，破碎圍巖在較高地壓的作用下會擠出錨桿與錨桿之間的薄弱區域，同時導致托盤與圍巖之間的作用力大幅下降，削弱錨桿 (索)的承載效果。而當錨桿錨固在松動圈范圍內時則要求錨桿具有一定的密集度來保證承載拱的形成，此時承載拱中環向力較大，對巷道表面強度要求更高，否則破碎巖塊之間容易發生相對轉動或移動，咬合力大幅降低，錨桿錨固端難以生根，極易導致整體承載拱承載能力下降。錨桿支護的最大優點在于巷道表面強度能夠保證的情況下，即使錨固在松動圈中也具有很高的支護能力。

單純的U型棚架支護最大的缺陷在于側向承載力較弱，隨著巷道底鼓的發生，棚腿內收導致巷道變形破壞。但U型棚支護也有其獨特的優點，即表面支護強度很高，可以有效降低破碎巖塊之間的相對移動，保證巖塊之間較大的咬合力的存在。

錨架支護的力學機理在于將U型棚架和錨桿支護的優點進行了有機結合，且在承載能力方面相互提高。錨固在圍巖松動圈中的錨桿，借助于金屬支架對圍巖的整體約束作用所形成的破碎巖塊之間的較大咬合力，錨桿的錨固效果得到大幅提高。錨桿一方面通過短梁給金屬支架施以外向作用力，使得金屬支架抗側壓能力得到較大發揮，通過對U型棚架這一曲梁增加支點使其剛度和強度均得以大幅提升，另一方面金屬支架剛度和承載力的提高又反過來增大了破碎巖塊之間的咬合力，促使錨桿錨固力的增大，最終達到了錨桿錨固力與金屬支架承載力共同提高的目的。此外，錨桿借助于金屬支架這一大托盤，有效作用范圍大幅提高，錨桿的承載力能夠得以充分發揮，最終獲得1+1＞2的支護效果。金屬支架與錨桿組合支護結構如圖1所示。

圖1 U型棚、短梁、錨桿、混凝土噴層組合結構

2 現場工業性試驗

2.1 工程概況及巷道變形因素

許疃煤礦－500m水平81采區南翼軌道大巷成巷于2003年12月，全長1538.54m，其上可采煤層3層 (綜合柱狀見圖2)，其中71煤距巷道55m左右，72煤距巷道40m左右，82煤距巷道20～40m，工作面推進方向與巷道走向相互平行。至今為止，巷道上方的左右兩側已經開采的工作面有7118，7114， 7123， 7214， 7218， 7223， 8212，8214等，這些工作面推進方向均與－500m水平81采區南翼軌道大巷平行，其中與巷道之間水平距離最近的工作面相距只有25m左右，距離最遠的也只有130m;垂直距離最近的只有20m。由于每一工作面的推進都給該巷道一次動壓影響，故巷道圍巖中松動圈很大 (2.6～3.0m)。另外，巷道上方左右兩側煤層開采之后，原先作用在煤層之上的豎向地應力會重新分布，重新分布的結果使得巷道所處的位置發生應力集中，而且這種應力集中隨著每一工作面的推進在不斷地發生變化，這種不斷變化的集中應力使－500m水平81采區南翼軌道大巷始終處于一種動態的高地壓作用之下，項目實施時期的地應力數值:σ1=16.403MPa(與豎直方向夾角9.35°，與巖層夾角 65.65°)，σ2=7.5747MPa(與巖層走向一致)，σ3=7.3357MPa(與σ1，σ2方向垂直)。

此外，－500m水平81采區南翼軌道大巷修復段完全處于泥巖之中，巖石的應力強度比很大，屬相對強應力圍巖。雖然巷道上方有一層2.88m厚的細砂巖，但底板下方是一層厚達14～15m的泥巖層，且底板松動圈中含有大量游離水。過厚的泥巖使得圍巖蠕變難以自止，豐富的底板水造成底板巖石高度軟化，較大的巷道斷面引發圍巖應力高度集中，應力集中系數高達3.1，一般的支護強度不足以使圍巖質點的應力狀態得以改善。

圖2 采區南翼軌道大巷試驗段地質柱狀

基于上述分析，－500m水平81采區南翼軌道大巷的破壞有松動圈方面的問題，也有圍巖質點蠕變導致的問題，而底鼓方面的因素更為突出。

2.2 治理方案及試驗效果監測對比

2.2.1 治理方案

本次巷道修復中，選取破壞、底鼓嚴重的50m巷道 (距離81采區聯巷約200m)作為試驗段1，采用“U型棚+注漿+雙排補強錨桿”支護技術，為了檢測上述方案的支護效果，另選50m作為試驗段2，采用“錨網噴+U型棚套棚+注漿”，2010年5月施工完畢。

2.2.1.1 設計參數

“U型棚+注漿+雙排補強錨桿+注漿”支護參數:φ22mm×2400mm20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼高強預應力錨桿，錨桿托盤為10mm×150mm×150mm的鋼板冷軋碟型盤，錨桿2排，間距800mm，排距1400mm;底排錨桿距底板400mm;噴射混凝土厚度100mm，噴射混凝土配合比為1∶2∶2;3節29U鋼，棚距700mm;18a槽鋼，長度800mm;注漿孔全斷面5孔 (見圖3)，排距2000mm，采用間隔排二次注漿，孔深2000mm;5注漿孔等間距布置，1號和5號孔孔口距底板300mm，與水平呈30°角;首次注漿壓力控制在2.0MPa左右，二次注漿壓力控制在3.0MPa左右，達到設計注漿壓力后穩壓達10min以上停止注漿，漿液水灰比0.7。錨桿與支架之間的位置關系見圖1。

圖3 幫頂注漿孔布置

“錨網噴+U型棚套棚+注漿”支護參數:錨桿規格同上，幫部錨桿2排，間排距700mmí 700mm;初錨力矩200N·m;較上面方案多出1倍錨桿，金屬支架參數、混凝土噴層參數、注漿等參數與上相同。

2.2.1.2 錨桿拉力測試

為了更深入地了解上述2個試驗段錨桿的承載情況，特在每個試驗段各選1個測試斷面，該斷面幫部的2排錨桿托盤下裝上壓力表測試錨桿拉力，具體結果見表1。

表1 不同支護方式試驗段錨桿錨固力對比

表1中數值顯示，套棚情況下錨桿的承載很小，絕大部分承載能力未能發揮出來，而錨架組合段錨桿的承載力約是套棚段的6倍左右。此外，錨桿初錨力也出現不同變化，試驗段1錨桿錨固力逐漸升高，最終錨固力高于初錨力;試驗段2錨桿錨固力呈下降趨勢，最終數值低于初錨力。

2.2.2 監測效果對比

每試驗段分別取3個監測斷面，每斷面分別監測2個數據:兩幫收斂量和頂底收斂量，每10d監測1次，每次求出3個斷面收斂量的平均值，而后計算出每天的收斂速度。本次監測次數共計13次，總共歷時120d，監測結果見圖4，圖5。

監測結果表明，雖然試驗段1較試驗段2的錨桿用量少了1倍，但效果卻好很多，歷經120d后，試驗段1基本穩定，但試驗段2卻保持一定的變形速度，難以穩定下來。究其原因，試驗段1中錨桿不僅發揮了較大的承載能力，而且金屬支架的承載力得以較大提高，實現了“1+1”遠大于“2”的效應。試驗段2雖然多用了錨桿，但由于錨桿承載力沒能得到較充分地發揮，金屬支架的承載力也未得到提高，不僅未能實現“1+1=2”的支護效應，實際效果是“1+1＜2”。從而論證了錨桿與金屬支架之間支護能力相互增強原理的正確性與有效性。

圖4 巷道頂底平均移近速度曲線

圖5 巷道兩幫平均移動速度曲線

3 結束語

(1)通過力學機理與現場試驗兩個方面分析并論證了錨架組合支護的良好效果，挖掘了一種適合軟巖高地壓巷道低成本、易推廣的有效支護技術。

(2)介紹的錨架組合支護看似簡單，實則包含很深的力學理論，即錨桿與金屬支架之間支護能力相互增強原理。

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