深埋巷道地應(yīng)力特征及優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)

陶文斌 陶杰 侯俊領(lǐng) 蔣敬平

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001;3.攀枝花學(xué)院 釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000;4山東安科礦山支護(hù)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

地應(yīng)力是一切地下工程力學(xué)理論研究和工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確測量地應(yīng)力對于煤礦開采及隧道施工具有重要意義，是進(jìn)行掘進(jìn)施工的一項(xiàng)最基本的工作。一般而言，采礦工程設(shè)計(jì)和施工中較少考慮地應(yīng)力的影響，當(dāng)采礦活動在較小規(guī)模范圍內(nèi)或地表淺部進(jìn)行的時(shí)候，不考慮地應(yīng)力的影響是可行的。但是隨著采礦規(guī)模的不斷擴(kuò)大和向深部的不斷發(fā)展，特別是數(shù)百萬噸級大型礦井的出現(xiàn)，地應(yīng)力在施工中的影響越來越明顯，此時(shí)不考慮地應(yīng)力的影響進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，往往會造成地下巷道和采場的坍塌破壞以及沖擊地壓等礦井動力災(zāi)害的發(fā)生，使礦井生產(chǎn)無法進(jìn)行，甚至引起嚴(yán)重的生產(chǎn)和人身安全事故。文獻(xiàn)[1- 2]基于地應(yīng)力測量結(jié)果分析了煤礦井下的地應(yīng)力場分布規(guī)律,眾多學(xué)者也將研究得到的地應(yīng)力分布結(jié)論應(yīng)用于煤巖體穩(wěn)定性評價(jià)、巷道和采場的支護(hù)設(shè)計(jì)以及沖擊地壓災(zāi)害防治等方面[3- 7]，取得了良好效果。

巷道支護(hù)是煤礦安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)，錨桿的工作狀態(tài)和支護(hù)質(zhì)量決定了巷道的安全性和圍巖的穩(wěn)定性。為了研究錨桿支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測技術(shù)及方法，姜德生等[8]建立了錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對橋梁錨索的預(yù)應(yīng)力檢測;梁敏富等[9]研究了測力錨桿在煤礦巷道中的應(yīng)用，得到了巷道圍巖中錨桿的受力分布特點(diǎn);李麗君等[10]提出了錨桿應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行了光纖光柵與應(yīng)變片的對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了錨桿應(yīng)變分布的測量;Tang等[11]基于錨桿軸力監(jiān)測結(jié)果，提出了巷道錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。此外，研究者們[12- 15]還在錨桿支護(hù)作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，強(qiáng)調(diào)錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散的決定性作用，不僅重視錨桿的強(qiáng)度，更重視支護(hù)系統(tǒng)的剛度，特別是錨桿預(yù)應(yīng)力的重要性，真正實(shí)現(xiàn)了錨桿的主動、及時(shí)支護(hù)，充分發(fā)揮了錨桿的支護(hù)作用。常聚才及張農(nóng)等[16- 19]認(rèn)為，支護(hù)形成的承載結(jié)構(gòu)特性和錨桿的預(yù)拉力對圍巖的穩(wěn)定性起到了更為關(guān)鍵的作用，提高巷道頂板錨桿預(yù)拉力可以有效控制巷道頂板的下沉量，并在加大錨桿間排距、減少錨桿用量的情況下，極大地提高巷道的穩(wěn)定性。

鑒于深井軟巖巷道面臨高應(yīng)力環(huán)境，巷道存在變形嚴(yán)重、支護(hù)困難等問題，造成巷道返修頻繁和錨桿失錨安全事故顯著增加，傳統(tǒng)的用于支護(hù)的依賴工程經(jīng)驗(yàn)的類比法有待改進(jìn)，文中通過對潘三煤礦地應(yīng)力及巷道變形進(jìn)行實(shí)測，發(fā)現(xiàn)巷道變形不僅與地應(yīng)力大小相關(guān)，而且與巷道軸向和最大主應(yīng)力方向有關(guān)，這對高應(yīng)力軟巖巷道錨桿支護(hù)提出了更高的要求。文中通過對錨桿支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并將其應(yīng)用于高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)實(shí)踐中，以期取得較好的效果。

1 工程背景及圍巖特性

淮南礦區(qū)屬于華北板塊與揚(yáng)子板塊接觸帶，過去與當(dāng)前兩板塊的擠壓碰撞，造成淮南礦區(qū)構(gòu)造強(qiáng)烈、節(jié)理發(fā)育與水平應(yīng)力大?；茨吓巳V位于淮南礦區(qū)北部，隨著井巷工程的延伸和采掘活動的頻繁開展，受動壓、斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造的影響，礦井應(yīng)力水平逐漸增加，出現(xiàn)巷道底臌、片幫、局部冒頂以及局部區(qū)域瓦斯涌出量增加等動力現(xiàn)象。

潘三煤礦1621(1)工作面11- 2煤平均厚度為1.8 m，直接頂為厚2.6 m的砂質(zhì)泥巖，上覆巖層依次為0.5 m厚的11- 3煤、1.3 m厚的砂質(zhì)泥巖、0.3 m厚的煤線、3.3 m厚的粉細(xì)砂巖、3.7 m厚的砂質(zhì)泥巖，老頂為砂巖、泥巖;直接底為2.5 m厚的泥巖，下覆巖層依次為3.2 m厚的粉細(xì)砂巖、0.6 m厚的11- 1煤、3.5 m厚的泥巖、3.2 m厚的粉細(xì)砂巖，老底為泥巖。圍巖組成的物理性質(zhì)見表1。

1621(1)運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)長度為2 771 m，實(shí)體掘進(jìn)，巷道斷面凈寬設(shè)計(jì)為4 m、凈高設(shè)計(jì)為3.6 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板錨桿支護(hù)由左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、M5鋼帶和菱形金屬網(wǎng)組成。鋼帶沿巷道橫向鋪設(shè)，每個(gè)鋼帶上安裝2根錨桿和3根錨索，幫部錨桿索均穿過扁鋼孔垂直幫部錨入，每一幫采用3根錨桿、2根錨索支護(hù)，錨桿預(yù)緊力為20 kN。

以1621(1)運(yùn)輸巷道作為巷道圍巖變形觀測點(diǎn)，一個(gè)斷面布置兩組多點(diǎn)位移計(jì)，與測力錨桿同一斷面，分別布置在巷道迎頭頂板中間位置與煤幫中間位置,如圖1所示。

表1 1621(1)工作面煤頂?shù)装?0 m范圍內(nèi)巖石的單軸力學(xué)參數(shù)

Table 1 Single-axial mechanical parameters of rock in 10 m range of coal roof and floor of 1621(1) working face

巖性抗壓強(qiáng)度/MPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa頂板細(xì)砂巖36.4165.56136.3393.7851.31頂板粉砂巖24.8974.59435.2102.1041.57頂板砂質(zhì)泥巖10.9423.42233.8421.4500.63底板砂質(zhì)泥巖15.5793.81134.2970.9151.28

圖1 位移計(jì)布置圖Fig.1 Layout of displacement meter

頂板與煤幫在掘進(jìn)5 d進(jìn)尺30～40 m后巷道變形穩(wěn)定;巷道頂板0～3 000 mm錨桿錨固的范圍整體下沉，發(fā)生離層的位置為頂板內(nèi)3 000～4 000 mm的范圍和上部7 000 mm左右的位置。

巷道兩幫位移量與頂板位移量相輔相成，幫部位移量產(chǎn)生的同時(shí)，頂板分別處于淺部、深部離層位移區(qū)，煤幫均勻性變形，從孔深7.5 m處至巷道表面均勻變化，巷道掘進(jìn)2 d后進(jìn)尺10 m時(shí)，巷道均勻變化，最大變形量為10 mm;巷道掘進(jìn)5 d進(jìn)尺30～40 m后巷道變形最大，達(dá)22 mm，頂板與兩幫圍巖變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

由深埋巷道支護(hù)工程實(shí)踐中的巷道實(shí)測數(shù)據(jù)可以知道：巷道主要變形量發(fā)生在5 m范圍內(nèi)，隨著時(shí)間推移，深部變形首先穩(wěn)定，后續(xù)變形主要在淺部4.0 m范圍內(nèi);幫部的錨固支護(hù)提高了幫部的整體性，出現(xiàn)錨桿隨圍巖整體性外移的現(xiàn)象;巷道圍巖巖性軟化，頂板變形破壞的范圍比較大，達(dá)7 000 mm左右，從淺部到深部其變化率基本一致，接近線性變化。

圖2 1621(1)運(yùn)輸巷道圍巖變形圖

Fig.2 Surrounding rock deformation of 1621(1) transportation roadway

2 潘三煤礦地應(yīng)力測量

目前常采用增加錨桿、使用錨索的方法來處理巷道圍巖變形問題，但這些方法的巷道修復(fù)工程量很大，經(jīng)濟(jì)效益很低，不能從根本上發(fā)現(xiàn)巷道變形的原因并加以解決。本節(jié)以潘三煤礦為例，采用應(yīng)力解除法對深部巷道進(jìn)行地應(yīng)力原位測量。

2.1 西三采區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果

根據(jù)潘三煤礦西三采區(qū)和東翼采區(qū)現(xiàn)有采掘狀況及地質(zhì)條件，地應(yīng)力測點(diǎn)盡可能避開地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段及受采動影響的部位，并滿足測量范圍均勻和全面的原則，故在選擇西三采區(qū)的地應(yīng)力測點(diǎn)時(shí)，在1672(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷布置2個(gè)地應(yīng)力測點(diǎn)，具體位置見圖3。

通過在潘三煤礦1672(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷和2121(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷布置的5個(gè)地應(yīng)力測點(diǎn)，可以真實(shí)地反映和了解西三采區(qū)、東翼采區(qū)地應(yīng)力場分布的特點(diǎn)和規(guī)律。

根據(jù)西三采區(qū)XS-1和XS-2地應(yīng)力測量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量σ1的傾角均小于15°，接近水平方向;方位角平均為169.7°，接近于南北向，見圖4(a)。地應(yīng)力場中主應(yīng)力σ1為最大水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向?yàn)榻媳毕?，量值平均?7.24 MPa。

圖3 西三采區(qū)地應(yīng)力測點(diǎn)Fig.3 In-situ stress measurement points in Xisan mining area

圖4 西三采區(qū)地應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of in-situ stress in Xisan mining area

西三采區(qū)地應(yīng)力場中主應(yīng)力σ3為最小水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向?yàn)榻鼥|西向，量值平均為17.27 MPa。根據(jù)西三采區(qū)XS-1和XS-2地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量σ3的傾角均小于15°，可視為水平方向;方位角平均為79.0°，接近于東西向，與主應(yīng)力σ1在方位上呈正交關(guān)系，見圖4(a)。

地應(yīng)力場中間主應(yīng)力σ2的傾角較大，均超過70°，接近于垂直方向，且量值與實(shí)測垂直應(yīng)力σv接近，見圖4(b)。

表2為西三采區(qū)地應(yīng)力場各分量測量結(jié)果匯總。

表2 西三采區(qū)地應(yīng)力場各分量測量結(jié)果匯總

Table 2 Summary of measurement results of various components of in-situ stress field in Xisan mining area

測點(diǎn)主應(yīng)力地應(yīng)力實(shí)測值/MPa地應(yīng)力當(dāng)量化值/MPa傾角/(°)方位角/(°)XS-1XS-2σ126.8527.5712.8356.1σ218.4018.8675.5215.8σ317.1817.6014.385.6σv17.76———σ127.6328.019.5343.2σ218.6818.9171.3221.0σ317.3517.564.572.3σv18.98———

2.2 東翼采區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果

東翼采區(qū)在2121(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷布置3個(gè)地應(yīng)力測點(diǎn)開展地應(yīng)力測量，具體布置點(diǎn)如圖5所示。

圖5 東翼采區(qū)地應(yīng)力測量點(diǎn)Fig.5 In-situ stress measurement points in Dongyi mining area

根據(jù)東翼采區(qū)DY-1、DY-2和DY-3地應(yīng)力測量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量σ1的傾角均小于15°，接近水平方向;方位角平均為351.1°，接近于南北向，見圖6(a)，地應(yīng)力場中主應(yīng)力σ1為最大水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向?yàn)榻媳毕?，量值平均?5.76 MPa。

地應(yīng)力場中主應(yīng)力σ3為最小水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向?yàn)榻鼥|西向，量值平均為15.65 MPa。根據(jù)東翼采區(qū)DY-1、DY-2和DY-3地應(yīng)力測量結(jié)果，地應(yīng)力主應(yīng)力分量σ3的傾角均小于15°，可視為水平方向;方位角平均為82.0°，接近于東西向，與主應(yīng)力σ1在方位上呈正交關(guān)系，見圖6(a)。

地應(yīng)力場中間主應(yīng)力σ2的傾角較大，均超過60°，接近于垂直方向，且量值與實(shí)測垂直應(yīng)力σv接近，見圖6(b)。西三采區(qū)和東翼采區(qū)巷道受水平主應(yīng)力方向性影響顯著，西三采區(qū)整體應(yīng)力水平較東翼采區(qū)的略高，這與測點(diǎn)分布深度密切相關(guān)。西三采區(qū)測點(diǎn)埋深超過東翼采區(qū)測點(diǎn)埋深50 m以上，在應(yīng)力整體水平上受自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力影響略高。

圖6 東翼采區(qū)地應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of in-situ stress in Dongyi mining area

2.3 潘三煤礦地應(yīng)力測量分析

表3所示西三采區(qū)和東翼采區(qū)5個(gè)地應(yīng)力測點(diǎn)的測量結(jié)果和當(dāng)量化結(jié)果表明，潘三煤礦井田范圍內(nèi)的地應(yīng)力場狀態(tài)相對比較穩(wěn)定，整體地應(yīng)力場狀態(tài)具有以下特點(diǎn)：西三采區(qū)和東翼采區(qū)整體地應(yīng)力場方位變化不大，相似性較高，當(dāng)量化值在量值上主要受埋深影響，整體為受煤層傾向的單斜構(gòu)造和橫貫井田的W-背向斜構(gòu)造共同影響的構(gòu)造應(yīng)力場。

表3 東翼采區(qū)地應(yīng)力場各分量測量結(jié)果匯總

Table 3 Summary of measurement results of various components of in-situ stress field in Dongyi mining area

測點(diǎn)主應(yīng)力地應(yīng)力實(shí)測值/MPa地應(yīng)力當(dāng)量化值/MPa傾角/(°)方位角/(°)DY-1DY-2DY-3σ125.7622.5212.75.9σ217.3615.6064.2235.2σ316.3814.796.695.2σv17.22———σ124.9520.085.3347.4σ214.2712.1665.5119.7σ315.3713.0014.081.0σv13.65———σ126.5728.301.1340.0σ217.7318.7779.5126.1σ315.2116.0510.469.8σv16.61———

將地應(yīng)力測量結(jié)果進(jìn)行匯總，可知：潘三煤礦地應(yīng)力場中主應(yīng)力σ1為最大水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向?yàn)榻媳毕?，?dāng)量化平均值為25.30 MPa，σ1的傾角均小于15°，接近水平方向，方位平均為350.5°。地應(yīng)力場中主應(yīng)力σ3為最小水平主應(yīng)力，優(yōu)勢方向?yàn)榻鼥|西向，量值平均為15.80 MPa，σ3的傾角均小于15°，可視為水平方向，方位在70°～95°之間，平均為80.8°，與最大主應(yīng)力σ1在方位上呈正交關(guān)系。地應(yīng)力場中間主應(yīng)力σ2的傾角較大，均超過60°，接近于垂直方向，且量值與實(shí)測垂直應(yīng)力σv接近，如圖7所示。

圖7 主應(yīng)力立體網(wǎng)格圖Fig.7 Stereo grid diagram of principal stress

潘三煤礦地應(yīng)力場中最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力相差不大。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力相差在2 MPa之內(nèi)，且除DY-2地應(yīng)力測點(diǎn)外，地應(yīng)力場呈現(xiàn)σ1>σv>σ3的應(yīng)力關(guān)系。DY-2地應(yīng)力測點(diǎn)可能受斷層構(gòu)造影響，垂直應(yīng)力出現(xiàn)明顯降低現(xiàn)象。

影響潘三煤礦巷道穩(wěn)定性的主導(dǎo)應(yīng)力是最大水平主應(yīng)力σ1，且對巷道掘進(jìn)左側(cè)具有明顯方向性影響,對地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果中的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、垂直應(yīng)力及其比值進(jìn)行匯總，結(jié)果見表4。

表4 主應(yīng)力及其比值匯總表Table 4 Summary of principal stresses and their ratios

可以看出：潘三煤礦整體地應(yīng)力場中，最大水平應(yīng)力σ1明顯大于垂直應(yīng)力σv，側(cè)壓系數(shù)σ1/σv=1.56～1.75，地應(yīng)力場中水平主應(yīng)力占主導(dǎo)優(yōu)勢地位。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，最大主應(yīng)力σ1與最小主應(yīng)力σ3的比值K=1.46～1.83，其量值變化較大，且最大主應(yīng)力越高，其對應(yīng)的最小主應(yīng)力越小，說明井田內(nèi)地應(yīng)力場對巷道掘進(jìn)的影響具有明顯的方向性。潘三礦大的逆斷層走向基本成東西向，實(shí)測最大水平地應(yīng)力基本成南北向，說明礦區(qū)過去受水平擠壓造成巖層節(jié)理發(fā)育，存在傾向南北“X”狀共軛剪切弱面帶。當(dāng)前水平應(yīng)力還是南北方向，不利于過去形成的構(gòu)造面的閉合與充填，造成巖塊節(jié)理弱面強(qiáng)度極低。

根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果，最大主應(yīng)力σ1方位與巷道軸向夾角為34°～73°，平均夾角為55.3°，對巷道掘進(jìn)影響較大，使得水平應(yīng)力集中體現(xiàn)在巷道掘進(jìn)方向左側(cè)，特別是2121(1)運(yùn)輸巷道瓦斯治理巷17#鉆場區(qū)域，巷道與最大主應(yīng)力夾角達(dá)到73°，水平應(yīng)力集中程度最為顯著，見圖8。

圖8 最大水平主應(yīng)力對巷道掘進(jìn)方向的影響

Fig.8 Effect of maximum horizontal principal stress on driving direction of roadway

3 數(shù)字化測力錨桿監(jiān)測

關(guān)于深部巷道變形的原因，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是因?yàn)橄锏缆裆畲蟆?yīng)力環(huán)境復(fù)雜、圍巖巖性較差等多方面因素?；谏鲜龇治觯瑥牡貞?yīng)力角度分析深部巷道變形的主要原因是：巷道布置方向與最大水平主應(yīng)力方向形成的夾角較大，圍巖主應(yīng)力差增大。

潘三煤礦1621(1)運(yùn)輸巷道斷面采用數(shù)字化測力錨桿實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套基于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以監(jiān)測分站為控制終端，通過RS485電纜同1～10根錨桿進(jìn)行通信，采用交互應(yīng)變傳感器獲取錨桿受力數(shù)據(jù)，監(jiān)測分站所獲得的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過傳輸分站以太網(wǎng)鏈路和電纜傳輸至地面控制中心，監(jiān)控人員可訪問中心計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)。測力錨桿監(jiān)測系統(tǒng)的控制過程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)框架圖Fig.9 Diagram of system framework

測力錨桿與位移計(jì)布置在同一斷面，本節(jié)不再贅述。潘三煤礦1621(1)運(yùn)輸巷道施工前期分別在頂板和幫部安裝兩組測力錨桿，采用原支護(hù)方案進(jìn)行施工，實(shí)時(shí)監(jiān)測頂板和幫部錨桿的受力狀態(tài)，及時(shí)反饋巷道支護(hù)狀況。頂板測力錨桿采用樹脂全長錨固方式;煤幫測力錨桿采用1支K2550快速錨固劑與1支Z2880中速錨固劑組合的加長錨固支護(hù)形式，收集安裝兩周內(nèi)的錨桿軸力數(shù)據(jù)加以分析。

全長錨固錨桿施加預(yù)緊力為20 kN，最大軸力位于錨桿1.05～1.85 m區(qū)間，平均軸力為80 kN;向錨桿兩端軸力逐漸減小，深部減小幅度明顯大于淺部，說明錨桿1.5 m內(nèi)淺部相對于深部錨桿提供拉力，巷道頂板1.5 m深度變形劇烈，錨桿提供端部錨固力，軸力峰值寬度在1.05～1.85 m之間，如圖10所示。

圖10 頂板錨桿沿桿軸力Fig.10 Axial force of roof bolt

測力錨桿安裝時(shí)，錨桿外端施加預(yù)應(yīng)力20 kN，錨桿軸力在0～1 m范圍內(nèi)逐漸降低到0，斜率基本不變。頂板測力錨桿安裝2 d后，1.45、1.85、2.25 m測點(diǎn)的軸力分別為73、86、28.5 kN，基本處于穩(wěn)定狀態(tài);測點(diǎn)0.25、0.65、1.05 m的軸力處于緩慢增長階段，分別為20、35、65 kN。錨桿軸力呈中間大、兩端小的近對稱狀態(tài)，其中0～1 m淺部的錨桿剪力發(fā)生反轉(zhuǎn)，由剛開始的指向洞壁內(nèi)側(cè)變?yōu)橹赶蚨幢谕鈧?cè)。測力錨桿在巷道掘進(jìn)5 d后，軸力基本穩(wěn)定，與多點(diǎn)位移計(jì)觀測穩(wěn)定時(shí)間相一致，頂板測力錨桿數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

圖11 頂板錨桿軸力歷時(shí)曲線Fig.11 Axial force diachronic curves of roof bolt

在煤幫測力錨桿淺部1.5 m范圍內(nèi)，同一時(shí)間段的軸力基本相同，說明煤幫實(shí)際自由段長度為1.5 m，實(shí)際錨固長度為1.0 m左右，如圖12所示。

圖12 幫部錨桿沿桿軸力圖Fig.12 Axial force diagram of side wall bolt

煤幫軸力歷時(shí)曲線如圖13所示。軸力在巷道掘進(jìn)5 d后達(dá)到穩(wěn)定，最大軸力位于2.25 m處，為120 kN。煤幫錨桿安裝2 d后，1.85 m處軸力變化不大，說明錨桿的錨固效果可靠，錨固端力主要集中在1.50～2.00 m范圍內(nèi);在錨固段1.85～2.25 m范圍內(nèi)，煤巖體位移較大，錨桿受力急劇增長，說明錨桿存在整體性外移現(xiàn)象。

圖13 幫部錨桿歷時(shí)曲線Fig.13 Axial force diachronic curves of side wall bolt

通過地應(yīng)力測量發(fā)現(xiàn)，潘三煤礦1621(1)運(yùn)輸巷道以水平應(yīng)力為主，巷道掘進(jìn)方向與最大水平主應(yīng)力夾角較大，頂板變形劇烈，是巷道支護(hù)重點(diǎn)。采用測力錨桿監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，原有支護(hù)設(shè)計(jì)并未滿足支護(hù)需求，并且錨桿軸力的變化和頂板位移的持續(xù)增大相吻合，巷道持續(xù)變形使錨桿軸力不斷增大，此外頂板錨桿支護(hù)預(yù)緊力較低，全長錨固作用未能充分發(fā)揮，從而造成頂板持續(xù)變形失穩(wěn)。

4 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場實(shí)測

4.1 錨桿設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對地應(yīng)力監(jiān)測中以巷道頂板為支護(hù)重點(diǎn)且錨桿支護(hù)不足的問題，首先，采用預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)。該技術(shù)在原中空注漿錨索的基礎(chǔ)上對錨索進(jìn)行了改進(jìn)升級，采用專用的無機(jī)復(fù)合錨固材料和高壓注漿設(shè)備進(jìn)行施工。錨索先在迎頭進(jìn)行樹脂端錨，不用封孔，張拉預(yù)緊施加預(yù)應(yīng)力，之后通過錨索的中空結(jié)構(gòu)注入無機(jī)復(fù)合錨固材料，當(dāng)孔口流出無機(jī)錨固劑時(shí)停止注漿，實(shí)現(xiàn)錨索的全長錨固。

其次，由于全長錨固錨桿屬于被動支護(hù)，同時(shí)加長錨固錨桿中有很大一部分的錨固長度不能用于提高錨桿極限承載能力，因此，對錨桿施工方式加以改變，錨桿安裝時(shí)，先在端部采用快速樹脂錨固，形成快速錨固區(qū)，使錨桿端頭與圍巖粘結(jié)，再施加一定的預(yù)緊力，對錨桿進(jìn)行初次張拉，然后采用中速和慢速錨固劑注漿錨固自由段，同時(shí)施加高預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)二次張拉，使得錨桿在實(shí)現(xiàn)全長錨固的同時(shí)施加高預(yù)緊力，由此使錨桿整體受力均勻，實(shí)現(xiàn)自由段張拉錨固。

最后，施加底角錨桿，從而使巷幫穩(wěn)定。巷道的底角應(yīng)力集中，設(shè)置底角錨桿，像一根兩端固定的梁對上方的巖體起約束位移變形的作用，以降低圍巖體中的破壞應(yīng)力，保證整個(gè)巷道的穩(wěn)定性。

4.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述支護(hù)理論，并為巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬。模擬中以潘三煤礦1621(1)工作面運(yùn)輸巷的生產(chǎn)地質(zhì)條件為背景，模型尺寸為50 m×20 m×50 m，巷道斷面為直墻拱形，斷面尺寸為4 m(寬)×3.8 m(高)，具體數(shù)值模型見圖14。該模擬采用摩爾庫倫模型，頂部施加18 MPa的初始應(yīng)力，水平方向施加27 MPa的水平應(yīng)力，原錨桿索施加20 kN預(yù)緊力，優(yōu)化支護(hù)方案的預(yù)緊力為60 kN。對水平方向進(jìn)行位移約束，對底部垂直方向進(jìn)行位移約束。煤巖體參數(shù)如表1所示。

圖14 數(shù)值模型Fig.14 Schematic diagram of model

分別對原支護(hù)、優(yōu)化支護(hù)條件下的運(yùn)輸巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，防止多種錨固因素的干擾，模擬中未改變錨桿索布置長度、數(shù)量及間排距，計(jì)算結(jié)果如圖15所示。

圖15 支護(hù)系統(tǒng)圍巖應(yīng)力場(單位：kPa)

Fig.15 Stress fields of surrounding rock of support system(Unit:kPa)

在錨桿預(yù)緊力作用下，自由段圍巖以受壓為主，錨固段圍巖中壓應(yīng)力區(qū)逐漸縮小。當(dāng)采用原錨固支護(hù)方案、預(yù)緊力值較小時(shí)，有效壓應(yīng)力區(qū)僅僅集中在頂板部分區(qū)域，這與實(shí)測證明的頂板是治理該巷道變形的重點(diǎn)這一結(jié)論相一致，但形成的壓應(yīng)力區(qū)域較小，而當(dāng)預(yù)緊力增大時(shí)，錨固圍巖均能得到有效約束，且隨著預(yù)緊力增大，自由段圍巖中有效壓應(yīng)力區(qū)的面積不斷增大。

通過優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，在高預(yù)緊力全長錨固錨桿尾部形成了最大應(yīng)力為90 kPa的壓應(yīng)力區(qū)，在錨固段端頭形成了最大應(yīng)力為30 kPa的壓應(yīng)力區(qū)，頂板與幫部壓應(yīng)力區(qū)在錨桿控制范圍內(nèi)交匯形成了類橢圓形的壓應(yīng)力區(qū);高預(yù)緊力全長錨固錨索使壓應(yīng)力區(qū)大范圍延伸，形成具有一定厚度的承壓拱結(jié)構(gòu)，拱結(jié)構(gòu)內(nèi)圍巖壓應(yīng)力大于10 kPa。由于高強(qiáng)度錨固結(jié)構(gòu)對巷道圍巖的強(qiáng)力維護(hù)作用，淺部0～2 m范圍內(nèi)圍巖基本處于受壓狀態(tài)?？梢?，在優(yōu)化支護(hù)作用下，錨固區(qū)域內(nèi)圍巖均處于受壓狀態(tài)，圍巖穩(wěn)定性大幅度提高。

4.3 現(xiàn)場實(shí)踐

巷道按初始設(shè)計(jì)施工3～5 m后，應(yīng)立即安裝頂板離層儀進(jìn)行觀測，以便采取針對性的措施。頂板離層儀每隔100 m設(shè)置1個(gè)測站，其淺部基點(diǎn)安裝深度為2.5 m，深部基點(diǎn)安裝深度為8.0 m。

錨桿和錨索全部實(shí)現(xiàn)了全長錨固，錨桿、錨索同步承載，協(xié)調(diào)一致;全長錨固錨索與端錨錨固錨索相比，提高了錨索的抗剪切能力和系統(tǒng)的剛性，消除了端錨錨索在非錨固段的應(yīng)力集中，將載荷進(jìn)行了分散，也消除了錨索斷裂彈出的現(xiàn)象。

圖16 巷道頂板下沉量變化曲線Fig.16 Variation curves of roadway roof subsidence

如圖16所示，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可知，采用優(yōu)化支護(hù)方案可增大圍巖有效壓應(yīng)力區(qū)，減少圍巖變形。傳統(tǒng)支護(hù)變形量約20 d后接近400 mm，優(yōu)化支護(hù)方案使圍巖變形控制在100 mm內(nèi)，說明圍巖變形控制效果好，可減小錨索的支護(hù)密度，提高施工速度。

5 結(jié)語

高應(yīng)力差和大的巷道軸向與最大水平應(yīng)力夾角是引起深井巖巷劇烈變形的主要原因，它們會導(dǎo)致巷道變形范圍大、持續(xù)時(shí)間長，使頂板較深處的圍巖具有持續(xù)較大的變形量。對于深井巖巷僅靠參照對比支護(hù)不能有效地控制變形的發(fā)生，必須采取合理的措施對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)。

采用以地應(yīng)力測量為前提、測力錨桿全程監(jiān)測為基礎(chǔ)、高預(yù)緊力結(jié)合全長錨固技術(shù)為核心的動態(tài)支護(hù)優(yōu)化體系，可以對深部礦井的受力環(huán)境進(jìn)行全面、系統(tǒng)的了解，進(jìn)而優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。

地應(yīng)力實(shí)測發(fā)現(xiàn)：深部礦井以水平應(yīng)力為主，巷道頂板變形較幫部變形劇烈，頂板支護(hù)是巷道支護(hù)的重點(diǎn)，數(shù)字化測力錨桿實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測錨桿軸力以反映錨桿支護(hù)狀態(tài)。

對于巷道圍巖變形的控制，目前常用的是全長錨固支護(hù)或加長錨固支護(hù)方案，文中采用預(yù)緊力全長錨固錨索結(jié)合高預(yù)緊力全長錨固錨桿支護(hù)方案，通過施加高錨桿預(yù)緊力增加圍巖壓應(yīng)力區(qū)，配合全長錨固方式改善圍巖特性來減小變形量，控制效果比較顯著。