深井軟巖巷道溫壓耦合作用下錨固體破壞機(jī)理及應(yīng)用研究

王佳奇，姚直書，劉小虎，王 晨，喬帥星

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

目前我國已探明的煤炭資源約60%埋深在800m以下，開采深度還以每年10～25m的速度增加[1]。深部煤炭的開采受“三高一擾動”的影響相較于淺部煤炭的開采更為嚴(yán)重。深部巷道的復(fù)雜地層環(huán)境對巷道的支護(hù)技術(shù)要求更為苛刻。錨桿支護(hù)因具有安全性高、支護(hù)效果好和經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于深部煤礦巷道[2-5]。但眾多研究表明隨著開挖深度和廣度的增加，地溫和地壓的逐漸增大，錨桿失錨率也不斷增大[6]。為應(yīng)對深部巷道復(fù)雜地層環(huán)境支護(hù)的難題，國內(nèi)外學(xué)者提出了全長預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)，該項技術(shù)能夠及時地對圍巖產(chǎn)生阻力，限制剪切運動引起的圍巖變形，并且錨桿和巖層之間的黏結(jié)強(qiáng)度越大，剛度越高，抵抗巷道圍巖變形的能力越強(qiáng)[7]。

為進(jìn)一步提高錨桿支護(hù)抵抗巷道圍巖變形的能力，國內(nèi)外學(xué)者在錨固體變形破壞特征研究領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛研究[8-14]，孟波等[8]通過自主研制的真三軸壓力平臺對圍巖錨固體反復(fù)加卸載得到破裂巖體，研究破裂圍巖錨固體和錨桿的變形破壞特征。但關(guān)于全長錨固體在溫壓共同作用下的文獻(xiàn)較為少見。

淮南丁集礦西三集中軌道大巷標(biāo)高-812.3～-825.6m，地層平緩，平均傾角1°～4°受西一采區(qū)上覆工作面及下伏工作面采空區(qū)的應(yīng)力重分布影響，巷道圍巖受力復(fù)雜。以該礦軌道大巷為工程背景，采用相似模擬方法模擬深部巷道的錨桿錨固體，在溫壓加載裝置上對錨桿錨固體試件進(jìn)行加載試驗，對溫壓作用下錨固體的破裂特征、錨固體水平變形以及錨桿的受力情況進(jìn)行研究，最后基于試驗結(jié)果，分析了溫-壓作用下錨固體以及錨桿的變形破壞特征。對探究深部巷道的全長錨固體的錨固機(jī)理以及錨固體破裂變形特征有著重要指導(dǎo)意義。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

結(jié)合巷道的實際情況及文獻(xiàn)[15，16]中研究方法。巷道開挖后，巖石的原始應(yīng)力狀態(tài)被打破，圍巖應(yīng)力重新分布，當(dāng)圍巖應(yīng)力再次達(dá)到平衡，對巷道圍巖錨固體其中一個長方體單元分析，如圖1(a)所示。相似模型試驗因其可以控制主要試驗參數(shù)不受環(huán)境條件的限制和影響，便于進(jìn)行對比試驗，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點被廣泛用于巷道錨桿錨固體的研究，通過構(gòu)建相似模型，對錨固體單元縮小，研究錨桿錨固體的變形破壞特征。巷道中的錨固體水平和豎直方向受到周圍巖體擠壓，錨固體背面可認(rèn)為是無限大面，由于圍巖自承能力，受力較小，作為錨固體的第三主應(yīng)力。地下巖層溫度高，溫度由高溫向低溫傳遞，錨桿錨固體溫度升高。在地溫和地壓的作用下錨桿錨固體發(fā)生破裂變形。錨固體力學(xué)模型如圖1(b)所示。

圖1 錨固體承載(mm)

1.2 模型材料

表1 相似材料和原型的物理力學(xué)參數(shù)

1.3 錨固體的制作

錨固體制作步驟：①模具兩端開洞穿入圓管；②根據(jù)配比澆筑試塊；③相似材料初凝抽出圓管拆模；④打磨錨桿貼應(yīng)變片；⑤錨孔塞入錨固劑錨入錨桿；⑥旋上托盤施加預(yù)應(yīng)力。制作過程中為便于抽出圓管，澆筑前在圓管上刷少量潤滑油；為減小應(yīng)變片導(dǎo)線對錨固劑錨固的影響選用特細(xì)導(dǎo)線；為保證錨固劑能達(dá)到全錨要求，在錨孔中塞入半孔以上的樹脂錨固劑，然后將錨桿勻速插入其中，當(dāng)樹脂錨固劑溢出，即完成錨桿錨固體全錨。

1.4 試驗裝置及測試手段

試驗設(shè)計的溫-壓加載裝置如圖2所示。豎向荷載由萬能試驗機(jī)提供，水平荷載由位于試塊兩側(cè)最大加載量為1000kN的千斤頂提供，千斤頂頂頭作用在厚度為40mm的鋼板，通過鋼板對試塊施加水平荷載，千斤頂后部作用在制作的工字鋼反力架上，兩個工字鋼由?50mm的螺桿牽拉約束工字鋼向后移動。千斤頂?shù)膲毫Υ笮⊥ㄟ^油泵上的數(shù)顯壓力控制器讀數(shù)。為防止水平和豎直方向的傳力鋼板相互咬合，合理選擇鋼板的尺寸。錨固體后側(cè)采用厚度為20mm的鋼板作為擋板，擋板后放置荷重傳感器收集應(yīng)力。在錨固體兩側(cè)及臨空面各放置一個型號為CW-YB-50的位移計。溫度加載選用四塊長×寬×高=200mm×150mm×20mm功率為900W的鑄鋁加熱板對試塊加熱。為監(jiān)測和控制錨固體的溫度，在錨固體上沿與錨桿平行方向鉆長80mm、?8mm的測溫孔，將溫度傳感器插入測溫孔監(jiān)測溫度，將溫度傳感器和加熱板連接溫度控制器，控制錨固體的溫度。錨桿上每隔80mm貼一處應(yīng)變片，共設(shè)五處應(yīng)變片。數(shù)據(jù)采集采用TDS-630數(shù)據(jù)采集儀收集應(yīng)變片、荷重傳感器和位移計的數(shù)據(jù)。通過扭矩扳手對錨桿施加相同的預(yù)應(yīng)力。

圖2 試驗裝置

1.5 試驗方案

試驗設(shè)置四個溫度梯度分別是15℃、30℃、45℃、60℃。壓力按側(cè)壓系數(shù)λ=1.2、1.5、1.8進(jìn)行加載。為使水平壓力和豎直壓力能按側(cè)壓系數(shù)加載，壓力機(jī)采用應(yīng)力控制，加載速率為0.01MPa/s。試驗加載步驟：首先對錨固體進(jìn)行加溫，待達(dá)到預(yù)定溫度，穩(wěn)定溫度一段時間，確保整個錨固體溫度一致。然后對錨固體進(jìn)行水平和豎直方向加載。最后當(dāng)錨固體發(fā)生嚴(yán)重破壞時加載停止。試驗中為減少溫度散失，加溫時用保溫材料罩著錨固體試塊。在加載鐵板上涂抹潤滑油，以降低摩擦對試驗結(jié)果的影響。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 錨固體圍巖變形破壞特征

不同側(cè)壓系數(shù)錨固體裂隙發(fā)育情況如圖3所示。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)一定時，隨著溫度的升高錨固體的有著相似的破裂特征。錨固體破裂傾角對溫度因素敏感性較低，對側(cè)壓系數(shù)敏感性較強(qiáng)。當(dāng)λ=1.2時，水平和豎向的壓力相差不大，豎向壓力對錨固體的約束較大，錨固體破裂較難。錨固體破裂呈水平和豎向相交叉的破裂，以沿錨孔破裂為主。隨著溫度的升高，錨固劑對錨孔的支撐作用降低，錨固體的細(xì)裂增多，錨固體的破裂深度變大。經(jīng)測量破裂深度大致為托盤直徑的1.02～1.2倍，破裂傾斜角為45°～60°。當(dāng)λ=1.5時由于同等水平壓力對應(yīng)的豎向壓力較小，錨固體水平方向破壞程度加劇。溫度的升高和側(cè)壓系數(shù)的增大，破裂深度增大至托盤直徑的1.13～2.2倍，側(cè)壓系數(shù)的增大破裂傾斜角減小為40°～45°。當(dāng)λ=1.8時破裂深度增大至托盤直徑的1.15～2.4倍，破裂傾斜角減小為30°～35°。不同溫度與側(cè)壓系數(shù)錨固體破壞深度如圖4所示。

圖3 不同側(cè)壓系數(shù)錨固體裂隙發(fā)育情況

圖4 不同溫度與側(cè)壓系數(shù)錨固體破裂深度

在不同溫度梯度和不同側(cè)壓系數(shù)的壓力作用下，錨固體臨空面呈中間凹，四邊凸，錨桿附近出現(xiàn)若干水平和豎直裂縫。錨固體破壞程度隨著遠(yuǎn)離臨空破裂面逐漸降低。錨固體的背面由于擋板約束，基本未破壞。移除破碎塊體，錨桿壓縮區(qū)在空間上呈向錨固體內(nèi)部開口的喇叭形。

2.2 錨固體水平方向變形規(guī)律

由錨固體水平方向變形-荷載曲線可知錨固體出現(xiàn)壓密階段、線性變形階段和破壞階段。溫度升高，錨固劑內(nèi)部受熱膨脹的影響，固化物的抗壓強(qiáng)度降低[18-20]。如圖5(a)所示，當(dāng)λ=1.2時錨固體壓密階段，溫度升高，錨固劑對錨孔的支撐作用減弱，水平方向錨固體變形增大。隨著錨固體被壓密，錨固劑對錨固體變形的影響逐漸減弱。錨固體的抗壓強(qiáng)度受溫度變化的影響較大，隨著溫度升高，錨固體的抗壓強(qiáng)度增大，水平變形量增速減小[21]。30℃的錨固體水平變形量逐漸高于45℃和60℃。由于15℃對錨固劑的影響較小錨固劑對錨孔承載作用較大，15℃的水平變形量最小且保持較低增長率。如圖5(b)所示，當(dāng)λ=1.5時，相對于λ=1.2同等水平應(yīng)力下豎向應(yīng)力較小，豎向應(yīng)力對錨固體的擠壓減小，錨孔發(fā)生破壞的時間提前。壓密階段錨固體的水平變形增大。側(cè)壓系數(shù)增大，溫度對錨固體變形破壞規(guī)律影響減弱。30℃高于45℃和60℃水平變形量的時間點后移。如圖6(c)所示，當(dāng)λ=1.8時，錨固體在壓密階段變形進(jìn)一步增大。30℃的錨固體變形量未高于45℃和60℃。

圖5 錨固體水平方向變形-荷載曲線

2.3 錨桿受力特征

在水平和豎直方向的壓力作用下，錨桿和錨固體發(fā)生變形。拆除大面積破碎錨固體觀察錨固體內(nèi)部錨桿變形情況，錨固體內(nèi)部錨固較為完整，錨桿發(fā)生彎曲變形，在錨桿彎曲處的錨固劑受錨桿變形影響脫落，如圖6所示。

圖6 λ=1.5，60℃的錨桿變形及應(yīng)變片分布

圖7 錨桿受力-時間曲線

由圖6可知5號應(yīng)變片位于孔口附近錐形破裂區(qū)內(nèi)，4號位于第一道破裂裂紋附近，錨桿在4號應(yīng)變片附近彎曲，3號應(yīng)變片位于第一道裂紋和第二道裂紋之間，2號應(yīng)變片位于第二道和第三道裂紋之間，1號應(yīng)變片處在塊體完整區(qū)域。在不同側(cè)壓系數(shù)的壓力和溫度作用下錨桿受力情況如下。如圖7(a)所示，當(dāng)λ=1.2時，水平和豎直壓力相差不大，錨固體水平和豎直方向破裂情況基本相同，錨桿以受到錨固體水平方向的剪脹擴(kuò)容變形產(chǎn)生的張拉應(yīng)力為主，受力基本為正值。5號應(yīng)變片處在破裂面附近，起始受拉臨近錨固體嚴(yán)重破壞時錨桿受破碎塊體壓剪作用受力由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值。如圖7(b、c)所示，當(dāng)λ=1.5時，隨著溫度的增加，錨桿受力為負(fù)值的位置逐漸由5號應(yīng)變片轉(zhuǎn)至4號應(yīng)變片。5號應(yīng)變片受力減小。與臨空面有一段間隔的塊體受前面塊體約束，水平膨脹受限，破碎塊體對錨桿壓、剪應(yīng)力增大。3號和2號應(yīng)變片受力較大。隨著與臨空面間隔增大，約束力變大，錨固體破裂變困難，受張拉和壓剪應(yīng)力降低，錨桿受力較小。1號應(yīng)變片處在完整區(qū)域，受力較小。由外向里各應(yīng)變片逐個達(dá)到受力峰值且有短暫時間的間隔，說明錨固體發(fā)生漸進(jìn)式破壞。如圖7(d)所示，當(dāng)λ=1.8時，破裂深度的進(jìn)一步加深，3號和2號應(yīng)變片處的錨桿受力有所增長，位于4號和5號應(yīng)變片處的錨桿受力減小。綜上：錨桿在錨固體破碎塊體作用下處在壓、張、剪的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。錨桿以受張拉應(yīng)力為主，當(dāng)λ=1.2時錨固體以向臨空面擠壓膨脹為主，彎曲位置受壓、剪應(yīng)力較小。當(dāng)λ=1.5、1.8時錨固破裂深度加深，錨桿彎曲位置受壓、剪力增大。錨固體破壞方式為由外向里漸進(jìn)式破壞。

3 工程應(yīng)用

試驗表明全長錨固體的錨桿整體受力均勻。在高地溫環(huán)境及側(cè)壓系數(shù)影響下，錨固體圍巖產(chǎn)生漸進(jìn)式破壞，變形有序可控。因此可采用全長錨固代替端頭錨固進(jìn)行深部軟巖巷道圍巖支護(hù)。選取淮南丁集礦西三集中軌道大巷為工程背景，進(jìn)行軟巖巷道圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。巷道為直墻半圓拱型，斷面凈寬×凈高=5400mm×4300mm，采用工程類比法，類比相鄰回風(fēng)大巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)形式。原支護(hù)方式圍巖存在一定變形，支護(hù)效果欠佳。現(xiàn)計劃將原設(shè)計中端頭錨固優(yōu)化為全長錨固形式，其中錨桿規(guī)格?22mm×2500mm，間排距800mm×800mm，采用兩根2560型+1根2850型樹脂錨固劑支護(hù)；錨索規(guī)格?22mm×6300mm，4-4布置，間排距1.0m×1.6m，選用2根2560型樹脂錨固劑；噴漿厚度100mm。優(yōu)化后的巷道支護(hù)設(shè)計參數(shù)如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計方案(mm)

采用以上設(shè)計參數(shù)對西三軌道大巷進(jìn)行支護(hù)，為檢驗優(yōu)化方案和應(yīng)用效果，在西三采區(qū)軌道大巷與相鄰回風(fēng)巷道端錨支護(hù)段中分別設(shè)置3個測站，對巷道圍巖變形進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明軌道大巷斷面的頂?shù)装逡平繛?25mm，兩幫收縮量為136mm，相對回風(fēng)巷道圍巖變形穩(wěn)定。變形規(guī)律表明軌道大巷掘進(jìn)后15d內(nèi)，頂?shù)装搴蛢蓭涂焖偈諗?，最大變形速率?.5mm/d；隨后，巷道變形變緩，最大變形速率為1.5mm/d；最后當(dāng)距工作面迎頭105m后，巷道圍巖基本穩(wěn)定。總體采用全長錨固優(yōu)化支護(hù)方案可有效維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定，滿足安全生產(chǎn)需要。

4 結(jié) 論

1)溫壓作用下錨固體臨空面破壞特征呈中間凹，四邊凸，錨固體的破壞程度，隨著遠(yuǎn)離臨空破裂面逐漸降低。錨桿壓縮區(qū)在空間上呈向錨固體內(nèi)部開口的喇叭形。錨固體的破裂方式呈由外向里漸進(jìn)式破壞。

2)溫壓作用下錨固體破裂深度隨溫度升高和側(cè)壓系數(shù)的增大而增大，錨固體的破裂傾角隨著側(cè)壓系數(shù)的增大而減小。當(dāng)λ=1.2、1.5和1.8時錨固體的破裂深度分別為托盤直徑的1.02～1.2倍、1.13～2.2倍和1.15～2.4倍，錨固體破裂傾角分別為45°～60°、40°～45°和30°～35°

3)溫壓作用下錨固體水平方向變形規(guī)律為在錨固體壓密階段，隨著溫度升高和側(cè)壓系數(shù)的增大，錨固體水平變形增大。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，溫度對錨固體變形破壞規(guī)律影響減弱。

4)溫壓作用下錨桿在破碎塊體作用下處于壓、張、剪的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，錨桿以受張拉應(yīng)力為主，彎曲位置受碎塊的壓、剪應(yīng)力作用，受力為負(fù)值。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大彎曲位置受壓、剪應(yīng)力增大，錨桿發(fā)生明顯彎曲變形。將全長錨固支護(hù)工藝應(yīng)用于西三軌道大巷圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，反饋表明巷道圍巖支護(hù)效果較好。