快速掘進空頂區(qū)頂板穩(wěn)定高性能與錨桿支護模擬分析

賈克勤

（山西宏廈第一建設有限責任公司， 山西 陽泉 045008）

引言

在巷道掘進過程中，必要的支護是實現(xiàn)巷道快速掘進的關鍵。傳統(tǒng)的錨桿支護理論認為錨桿可以有效地將圍巖離層與彈性層固定，從而減少巖層的滑動以及裂隙的發(fā)育，通過人為干預使得圍巖巖層呈現(xiàn)具有一定承載能力的完整巖體[1-2]。通過力學測試儀測量錨桿支護后巖層的受力以及圍巖強度，得到錨桿支護的力學參數(shù)，雖然圍巖的穩(wěn)定性有一定的改善，但是對于巖層破碎的圍巖進行錨桿支護并沒有得到較好的改善[3]，在強度理論的基礎上，提出了高預應力錨桿支護方案。通過大量實踐證明，高預應力錨桿支護下復雜巷道圍巖的穩(wěn)定性有了明顯的改善，巷道最大變形量降低70%左右，離層現(xiàn)象也消除了，為復雜巷道的支護帶來了本質改變[4-5]。本文在高預應力錨桿支護理論的支持下，詳細分析了不同錨桿長度、間距、排距下巷道塑性區(qū)的受力特征，為礦井支護提供了參考。

1 頂板錨網(wǎng)支護安全判定準則

不同空頂條件下，巷道頂板受力特征差異大，頂板離層垮落現(xiàn)象不同，為更加合理地判斷不同空頂條件下頂板的安全性，建立巷道頂板的安全等級就顯得尤為重要。

將不同空頂距條件下巷道的安全系數(shù)分為安全、較安全、相對安全、危險和非常危險五個等級，其安全分級狀況如表1所示。

不同錨桿支護理論適用于不同地質條件下巷道的支護，因此在實際的工程中，錨桿支護理論的判斷準則有一定的差異，表現(xiàn)為具有一定的局限性：當巷道頂板巖性為松散巖層時，懸吊理論指導下的錨桿支護能使不穩(wěn)定巖塊與穩(wěn)定巖層連接，實現(xiàn)具有一定承載能力的目的。當錨桿作用于離層巖體時，錨桿受到離層巖體和穩(wěn)定巖體重力的共同影響，因此錨桿受力要遠大于破碎巖體的重力；組合梁理論考慮到錨桿與離層的滑動約束作用，忽略了錨桿以及組合梁結構所受的水平應力，因此在錨桿與巖體強度的應力分布計算上不準確；加固拱理論較為復雜，加固拱的厚度受到多種因素影響，受力特征復雜，很難實現(xiàn)準確的計算，只能憑借經(jīng)驗獲得。

表1 不同空頂距下函告安全系數(shù)等級表

復雜頂板的離層控制狀況極其復雜，傳統(tǒng)的錨桿支護理論在處理復雜頂板的受力以及維護過程中略顯不足，其安全判斷準則體系結構圖如圖1所示。

圖1 復雜破碎頂板錨網(wǎng)支護安全判斷準則體系結構圖

圖1中：p0為錨桿單位面積所受的預緊力，k1為防松動系數(shù)，取值范圍為1.3～1.9，W為單位面積破碎松動巖層的受力，F(xiàn)1為錨桿初始預緊力；N為錨桿個數(shù)；pmax為錨桿的極限應力值，kN；Qmax（P）為錨桿所受拉載荷為P時錨桿剪切載荷，kN，Q0為單個錨桿所受的剪切載荷；T與錨桿支護強度有關，當頂板比較破碎時，有冒落風險的頂板會沿著巷道的肩角區(qū)域移動，在支護作用下可以減少巷道剪切面的剪切力；k2為抗剪系數(shù)，取值范圍為3～4，J0為錨桿固定區(qū)域下滑時所受的剪切應力。

根據(jù)傳統(tǒng)錨桿支護理論的不足，提出高預應力錨桿支護理論，高預應力錨桿安裝在巖體后，將破碎巖體與彈性受力巖體連接，形成了橫向擠壓加固作用，在壓縮區(qū)的約束作用下，錨桿支護的范圍加大，提高了頂板整體的峰值強度和殘余強度，巖層的物理力學參數(shù)也得到改善，此外，高預應力錨桿支護使圍巖處于三軸受力狀況，裂隙面在擠壓作用下閉合，提高了裂隙面的摩擦力和巷道圍巖的承載能力，從而提高了圍巖的穩(wěn)定性。

2 錨桿合理支護參數(shù)模擬分析

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值模擬，模擬共設有120 357個單元，巷道尺寸長為5 m，寬為3.6 m，巷道的基本頂、偽頂、直接頂?shù)膸r性分別為泥巖、砂巖和粉砂巖，厚度分別為4 m、6 m、5 m。在巷道頂板均勻的布置6根錨桿，巷道兩幫布置4根錨桿，設定錨桿的直徑為21 mm，錨桿的初始預緊力為75 kN，分別對錨桿長度為2.2 m、2.5 m、2.8 m下的支護進行模擬，得到圖2所示的不同錨桿長度圍巖塑性破壞區(qū)受力特征圖。圖中棕色單元體組成的區(qū)域表示巖體受剪切和拉伸破壞，粉色單元體組成的區(qū)域表示巖體正在受剪切、拉伸破壞，但是并未破壞，黃色單元體和綠色單元體組成的區(qū)域表示巖體受到了拉伸破壞；藍色單元體組成的區(qū)域表示巖體受到彈性破壞。從圖2中可以看出，不同錨桿長度高預應力支護下，巷道圍巖受力特征差異大：當錨桿長度為2.2 m時，巷道兩幫受剪切破壞嚴重，頂?shù)装迨芰^大；當錨桿長度為2.5 m時，巷道兩幫以及圍巖受力特征得到改善；當錨桿長度為2.8 m，巷道頂?shù)装謇旒羟衅茐牧γ黠@減小，但是兩幫剪切破壞現(xiàn)象嚴重。

考慮到錨桿間間距的不同也會造成巷道受力特征的差異，為此進行了不同錨桿間距下巷道圍巖的受力模擬，模擬結果如圖3所示，當錨桿間距為750 m時，巷道兩幫受力最大，在長期剪切應力的作用下，巷道維護困難；錨桿間距為1 100 mm時，巷道兩幫受力雖然明顯減少，但是巷道頂板底受到較大應力，以至于兩幫都受到影響；當錨桿間距為900 mm時，巷道頂板以及兩幫受力都較均勻，并不會出現(xiàn)某個面被極端的破壞現(xiàn)象，因此便于巷道的維護。

圖2 不同錨桿長度圍巖塑性破壞區(qū)受力特征圖

在不同的錨桿間距下，巷道受力特征也有較大的差異，為此進行了錨桿排距為800 mm、1 000 mm、1 200 mm下巷道圍巖塑性破壞區(qū)受力特征模擬，模擬結果如圖4所示，從圖4中可以看出，錨桿排距從800 mm增加至1 000 mm時，巷道圍巖的變形量增加了100 mm，巷道頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)域增加，但是巷道兩幫的塑性破壞區(qū)域卻有明顯的減小；當錨桿排距增加至1 200 mm時，巷道兩幫塑性破壞區(qū)雖有了明顯的改善，但是頂?shù)装迨芰^大，導致巷道變形嚴重。顯然，在合適的錨桿排距下，圍巖控制效果良好，較小的錨桿排距影響巷道的掘進速度以及支護成本，較大的錨桿排距導致巷道變形嚴重，因此，選擇合適的錨桿排距，保證錨桿預緊力達到80 kN以上，便可達到安全支護的目的。

圖3 不同錨桿間距圍巖塑性破壞區(qū)受力特征圖

圖4 不同錨桿排距圍巖塑性破壞區(qū)受力特征圖

綜上所述，巷道初期掘進時錨桿選擇錨桿長度為2.8 m，錨桿間距為900 mm，錨桿排距為1 000 mm，保證錨桿的初始預緊力為80 kN以上為適宜的高預應力錨桿支護方案。

為了驗證上述模擬結果的準確性，進行了現(xiàn)場試驗，本次試驗工作面煤層底板標高為-752.8～-793.8 m，煤層為近水平煤層，平均傾角為5°，工作面走向長20 415.6 m，傾斜長度256.6 m。工作面煤層局部含一層夾矸（粉砂巖厚0～0.50 m）。

圖5 圍巖變形觀測曲線

圖5為圍巖變形觀測曲線。從圖5中可以看出，掘進期間兩幫穩(wěn)定相對位移量為103 mm，頂?shù)装宸€(wěn)定相對移近量為78 mm，作業(yè)期間頂板穩(wěn)定，證明了數(shù)值模擬結果的準確性。

3 結論

通過對頂板錨網(wǎng)支護安全判定準則進行探討，提出了高預應力錨桿支護方案以保證巷道破碎頂板的穩(wěn)定性，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，錨桿長度2.8 m、間距900 mm、排距1 000 mm下的錨桿支護方案效果最佳，保證錨桿預緊力達到80 kN下，巷道圍巖穩(wěn)定性得到提高。