典型地質(zhì)條件深部巖巷錨桿長(zhǎng)度的選擇

丁昌偉 吳德義

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽合肥 230601)

0 引言

巷道開挖時(shí)大量進(jìn)行支護(hù)工作，支護(hù)工作不僅占用時(shí)間長(zhǎng)，而且也與煤礦安全生產(chǎn)工作息息相關(guān)，運(yùn)用錨桿(錨索)進(jìn)行支護(hù)，不僅費(fèi)用成本低，而且工作效率高，在支護(hù)強(qiáng)度方面也有強(qiáng)有力的保障，現(xiàn)如今已成為主流的支護(hù)方式，在工程實(shí)例中，工程技術(shù)人員普遍運(yùn)用松動(dòng)圈厚度理論來進(jìn)一步確定錨桿(錨索)及其組合方式。本工程以淮北礦區(qū)許疃煤礦3238底抽巷為實(shí)例，采用Flac 3d軟件，在地質(zhì)條件主要為砂巖的情況下，試驗(yàn)將錨桿長(zhǎng)度由原先的2 400 mm轉(zhuǎn)變?yōu)? 000 mm，觀察圍巖支護(hù)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力變形情況，選擇正確的支護(hù)參數(shù)［1］。

1 工程概況

巷道位于許疃煤礦3238底抽巷11 m～32 m處，地下部分的巖石種類存在有粉砂巖，細(xì)砂巖和泥巖，在巷道開挖支護(hù)過程中，排出的土質(zhì)主要由粉砂巖，細(xì)砂巖和泥巖組成，泥巖表觀顏色為深灰色，巖石規(guī)格呈塊狀，斷面缺口參差不齊，在含有少量有機(jī)質(zhì)的根部位置，巖石質(zhì)地緊密，下部位置含有砂質(zhì)成分，細(xì)砂巖外觀顏色為青灰色，巖石內(nèi)部架構(gòu)組分最高的為硬質(zhì)石英［2］，巖石層理相互交叉，硅質(zhì)部分相互膠結(jié)，粉砂巖，表觀顏色為灰色，巖石規(guī)格呈塊狀分布，斷面缺口呈現(xiàn)為平坦?fàn)睿俨糠治恢煤屑?xì)砂質(zhì)成分。巷道地面標(biāo)高 ［25.42，25.82］，工作面標(biāo)高［657.60，747.00］。

2 巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)定

在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件下，制作芯樣并進(jìn)行選取，由實(shí)驗(yàn)可得巖石彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)［3］。

2.1 巖石力學(xué)試驗(yàn)程序

1)依據(jù)試驗(yàn)條件，將試驗(yàn)所需選用的巖石進(jìn)行破碎切割，制作為直徑 50 mm，高徑比為 2 ∶1，1 ∶1 的試塊。

2)將原先準(zhǔn)備好的試塊，按順序整齊的布置在承壓板的中心位置，調(diào)整帶有壓力板球形底座的高低位置，讓試件受均布荷載作用。

3)勻速的對(duì)試塊進(jìn)行加載試驗(yàn)，速度保持在0.5 MPa/s～1.0 MPa/s，試塊發(fā)生明顯變形時(shí)，得出試件破壞的荷載值及增加荷載時(shí)出現(xiàn)的表觀狀態(tài)。

4)根據(jù)每組試塊的個(gè)數(shù)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組要求3組，單軸抗壓強(qiáng)度能夠一定程度上反映巖石抵抗外荷載的能力，從而得到試驗(yàn)所需要的巖石力學(xué)參數(shù)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)室結(jié)果可得，砂巖的泊松比λ=0.25，彈性模量E=7.2 GPa，粘結(jié)力 c=4.0 MPa，內(nèi)摩擦角為 30°。

3 工程分析

1)模型尺寸及邊界條件。

工程中關(guān)于連續(xù)介質(zhì)模型的邊界條件有三種［4，5］，第一種被稱為應(yīng)力邊界條件，巷道表面部分受到均布荷載和集中荷載的雙向作用，第二種被稱為位移邊界條件，注意邊界位置上是否存在位移變化，在邊界位置上如果未觀察到位移變化，則約束條件被滿足，第三種被稱為混合邊界條件，此時(shí)在一個(gè)方向出現(xiàn)已知力，位移變化存在于其他邊界位置上。在軟件模擬分析的過程中，邊界約束條件是我們必須要考慮的，我們?cè)谑褂密浖M的過程中，要充分考慮到邊界條件與實(shí)際情況的差異，盡量模擬出與實(shí)際情況相類似的條件，以此來保證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確，盡可能在模擬條件下達(dá)到誤差的降低。與此同時(shí)，我們要有足夠大范圍的計(jì)算模型，保證分析的關(guān)鍵部位位于模型的正中部分。

2)支護(hù)方式。

淮北礦區(qū)許疃煤礦巷道周圍巖性為砂巖，為了能夠更好的起到約束作用，選用錨網(wǎng)噴射混凝土再加上錨索雙向受力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在雙重作用下增加圍巖的穩(wěn)定性，再加入直徑20 mm長(zhǎng)度為2 400 mm的高強(qiáng)度錨桿，兩根錨桿之間的距離為800 mm×800 mm。將冷拔帶肋鋼筋進(jìn)行組合焊接，制作成為6 mm鋼筋網(wǎng)片，長(zhǎng)寬為2 100 mm×900 mm，孔眼大小為150 mm×150 mm。使用長(zhǎng)度6 200 mm，使用專業(yè)機(jī)具將半徑為8.9 mm的鋼絞線絞制成錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm，在巷道中頂及兩邊對(duì)稱均勻布置3根，如圖1所示。

4 數(shù)值模擬

4.1 錨桿長(zhǎng)度選擇

如圖2所示，由數(shù)值模擬可得，巷道圍巖條件為砂巖時(shí)，錨桿長(zhǎng)度l=2 400 mm偏大，因此選用長(zhǎng)度l=2 000 mm的錨桿。

4.2 松動(dòng)圈厚度理論

1)圍巖位移場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果。

如圖3所示在O1O2方向，初始位置位移量最大，下降速度也最快，后期當(dāng)巷道表面距離繼續(xù)增加時(shí)，位移量開始緩慢下降，兩者關(guān)系適用于回歸方程:

其中，k1，k2均為回歸方程系數(shù)。

采用最小二乘法回歸，可得:圍巖巖性為砂巖時(shí)，k1=27.0，k2=1.01。

由式(1)可得在距離巷道表面r位置，圍巖體積碎脹系數(shù)k為:

2)深部巷道圍巖破碎松動(dòng)理論分析。

由式(2)可知，巷道表面距離r的變化與圍巖在O1O2方向不同位置圍巖體積碎脹系數(shù)k存在相互作用，其影響程度如圖4所示。

如圖4所示，巷道圍巖表面部分體積碎脹系數(shù)k值較大，表征圍巖破碎顯著，碎脹程度高。隨著巷道表面距離r的增加，圍巖體積碎脹系數(shù)k值下降的也越明顯，當(dāng)k值縮減到臨界值kmin時(shí)，圍巖的狀態(tài)發(fā)生改變，由原先存在的松散剝落的表現(xiàn)形式逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)部存在裂隙的塑性表現(xiàn)形式，參考圍巖體積碎脹系數(shù)找到松散破碎區(qū)域的位置，由試驗(yàn)結(jié)果可得:不同情況下臨界破碎時(shí)的體積膨脹系數(shù)可取為kmin=10.0 mm/m，由此確定松動(dòng)圈厚度Lp。

圖2 圍巖支護(hù)變形情況

圖3 巷道表面距離—位移量關(guān)系圖

圖4 體積碎脹系數(shù)

根據(jù)圖2數(shù)值模擬結(jié)果，采用式(1)進(jìn)行回歸分析得出的圍巖巖性為砂巖時(shí)回歸方程系數(shù)，巷道圍巖附近土質(zhì)條件為砂巖時(shí)松動(dòng)圈厚度Lp=1 100 mm。

3)錨桿長(zhǎng)度的確定。

根據(jù)松動(dòng)圈實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得，巷道圍巖附近土質(zhì)呈砂巖時(shí)，可以定為中等松動(dòng)圈Ⅱ類穩(wěn)定圍巖，依據(jù)松動(dòng)圈理論來確定錨桿長(zhǎng)度的數(shù)值，錨桿長(zhǎng)度可由式(4)算得:

其中，Δl1為錨桿外露長(zhǎng)度，取 Δl1=100.0 mm;Lp為松動(dòng)圈厚度，取Lp=1 000.0 mm;Δl2為錨桿進(jìn)入松動(dòng)圈外長(zhǎng)度，取 Δl2=300.0 mm。

未來開采過程中還會(huì)存在其他影響因素，松動(dòng)圈范圍Lp增加，錨桿長(zhǎng)度最大為l=2 000.0 mm。因此選用錨桿長(zhǎng)度l=2 400.0 mm不太合理。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

當(dāng)圍巖周邊地質(zhì)條件為砂巖時(shí)，錨桿長(zhǎng)度由l=2 400 mm減少到l=2 000 mm。結(jié)果表明圍巖的位移變形量減小，由此可知適當(dāng)減小支護(hù)過程中錨桿長(zhǎng)度，有助于減少巷道支護(hù)關(guān)鍵工序的時(shí)間，故巷道周邊圍巖條件不同時(shí)，適當(dāng)減小錨桿長(zhǎng)度不僅受力合理，而且節(jié)約材料，具備實(shí)際的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。