深部煤層全錨護壁錨桿的設計及技術研究

高 瑞 ，寧掌玄 ，陳 序

(1.山西大同大學 煤炭工程學院，山西 大同 037000；2.山西省煤炭地質 115勘察院，山西大同 037000)

隨著我國淺部煤炭資源的逐步枯竭，井工煤礦開采深度正以平均8～12 m的速度逐年遞增。深部巷道支護技術在近些年取得了可喜的發展，但有效的支護方式仍是采礦工程中的薄弱環節。采礦行業一直公認深埋巷道的支護是世界性難題[1-8]。隨著開采深度的增加，圍巖出現軟巖、破碎巖層占比增加的趨勢[9-10]，常規錨桿在此種圍巖支護過程中錨固力下降、支護強度減弱、錨桿孔壁塌孔、錨桿斷裂，巷道支護效果難以保證，出現“支不住、易斷裂”的現象[11-13]，甚至因巷道變形失穩發生冒頂片幫等災害事故，造成大量人員傷亡和巨額財產損失[14-17]。本文以深部煤層巷道的支護為研究對象，利用FLAC3D軟件數值對比分析深部煤層軟巖、硬巖開挖巷道截面切片的塑性區、巷道圍巖位移、錨桿軸應力的差異，提出針對深部巷道支護的一種新型全脹式全錨護壁錨桿的結構設計。新型錨桿可以有效提高錨桿和圍巖的耦合承載能力，減少圍巖孔壁變形及塌孔現象的產生。該研究有助于完善深部軟巖巷道支護的理論，為軟巖巷道的支護提供了參考依據。

1 軟巖、硬巖巷道開挖數值模擬

1.1 建立數值分析模型

運用FLAC3D軟件建立1個三維模型，本構關系為Mohr-Coulomb。模型埋深500 m，尺寸為100 m×50 m×50 m,共劃分108 050個網格，模型中開挖5 m×5 m的巷道。開挖巷道過程中采用D22 mm×2 000 mm的錨桿及時支護,支護方案為：巷道頂板5根錨桿，兩幫各用同型號的3根錨桿支護,間排距1 250 mm×1 000 mm。模型地質條件自上而下劃分為5組巖層，各巖層的力學參數如表1所示。模型分別模擬深部石灰巖(硬巖)、砂質泥巖(軟巖)在開挖巷道的過程中，在支護方式不變的前提下，巷道截面切片的塑性區、巷道圍巖位移、錨桿軸應力的差異，如圖1～圖8所示。

表1 模型力學參數

圖1 模型網格

圖2 巷道錨桿支護方案

圖3 硬巖巷道塑性區變化

圖4 軟巖巷道塑性區變化

圖5 硬巖巷道最大位移

圖6 軟巖巷道最大位移

圖7 硬巖巷道內錨桿的軸應力

圖8 軟巖巷道內錨桿的軸應力

1.2 結果分析

由圖可知：在石灰巖(硬巖)、砂質泥巖(軟巖)中巷道圍巖塑性區沿巷道垂直中心線呈近似對稱分布，且巷道圍巖沿徑向分別存在塑性區和松動圈。砂質泥巖(軟巖)巷道周圍綠色部分代表現在和過去發生的剪切破壞，遠遠大于石灰巖(硬巖)。在石灰巖(硬巖)和砂質泥巖(軟巖)中巷道的最大位移均分布在巷道的頂板和底板，在石灰巖中巷道頂、底板的最大位移為1.81×10-2m,在砂質泥巖巷道頂、底板的最大位移為2.30×10-2m。砂質泥巖巷道最大位移超出硬巖石灰巖0.49×10-2m。在石灰巖(硬巖)、砂質泥巖(軟巖)中錨桿的最大軸應力均出現在頂板錨桿中。在石灰巖(硬巖)中錨桿的最大軸應力為9.34×105Pa，在砂質泥巖(軟巖)中錨桿的最大軸應力為9.98×105Pa，軟巖中錨桿的軸應力為硬巖錨桿軸應力的1.06倍，且砂質泥巖(軟巖)巷道兩幫錨桿的軸應力遠遠大于石灰巖(硬巖)。由數值模擬結果可知，常規錨桿在深部軟巖巷道中存在“支不住、易斷裂”的問題。

2 新型全錨護壁錨桿的設計及功能

2.1 錨桿結構設計

新型錨桿由錐形體A/B和護壁裝置三部分組成，見圖9。在使用過程中利用鉆孔設備擴孔后，將錨桿和護壁裝置整套嵌入鉆孔內，當對錨桿螺母施加扭矩時，錐形體A、B在扭矩的作用下會逐步進入護壁裝置內，由于錐形體A、B的直徑大于護壁裝置的直徑，且護壁裝置外表面特殊的開口設置，使其同步全長脹裂并與圍巖緊密結合。護壁裝置特殊切口如圖10所示。

圖9 新型全脹式全錨護壁錨桿的結構示意

圖10 護壁裝置表面切口示意

2.2 新型全脹式護壁錨桿的護壁原理及作用

護壁裝置切口呈反向90°不完全貫通開切，由于護壁裝置的特殊切口設置使得錨桿在安裝過程中實現同步全長脹裂，脹裂后的護壁裝置對桿體周圍軟巖產生擠壓、支撐作用，減少了錨桿圍巖的變形量。新型錨桿利用護壁裝置與圍巖產生的摩擦力可以提高錨桿的單錨拉力。常規錨桿利用錨固端與圍巖的摩擦力和粘結力來傳遞載荷[18-19]。軟巖由于圍巖自身的黏結力不足，導致錨桿桿體易受圍巖的集中應力發生斷裂。新型錨桿在護壁裝置全長脹裂時可以有效減少錨桿桿體的集中應力[20-22]。在安裝過程中將錨桿和護壁裝置整套嵌入鉆孔內并對鉆孔進行清潔和注漿工藝處理，采用類型為K的樹脂錨固劑，該錨固劑凝固時間為41～90 s。新型全脹式全錨護壁錨桿錨固穩定時間約為0.5 h。

3 錨桿現場實驗

現場利用型號CL-30的拉拔儀進行錨桿拉拔試驗見圖11。該設備的最大量程為2 000 kN，可對設備實現循環加載，實驗過程分別采用加載速率為0.2 kN/s、0.5 kN/s、0.8 kN/s三種方式進行加載，不同加載速率位移曲線見圖12。

圖11 拉拔儀控制面板

由圖12可知，初期加載速率越高，錨桿蠕變越大，錨桿伸長率隨時間的增大而增大，在前50 s內錨桿蠕變不明顯，50～100 s內蠕變明顯增大。加載速率越高，錨桿越易產生塑性破壞。新型錨桿較普通錨桿在支護效果上能夠減少圍巖孔壁的變形量，避免發生塌孔。同時新型錨桿利用護壁裝置全長脹裂特點增加了錨桿與圍巖的摩擦力，使其單錨拉力也優于普通錨桿。

圖12 不同加載速率位移曲線圖

4 結 語

1) 在深部巷道中，新型錨桿可以有效避免桿體應力集中的現象，減少圍巖孔壁的變形量和塌孔現象。

2) 新型錨桿錐形體A/B和護壁裝置可根據施工過程中的工藝和不同長度的錨桿進行差異化定制。

3) 新型錨桿利用護壁裝置的全長脹裂特點增加了護壁裝置和圍巖的摩擦力，提高了常規錨桿在深部軟巖巷道中的單錨拉力。

4) 新型錨桿加裝護壁裝置，增加了施工中錨桿的間距，可以有效避免群錨效應。