全錨固密集短錨桿在軟巖巷道支護中的應用

1 　全錨固密集短錨桿軟巖支護的原理由相對于軸對稱的圓形斷面巷道平面應變狀態的彈性應力狀態理論, 得出巷道圍巖內的主應力差 ( σ θ - σ r ) 及與主平面成任意夾角的平面上的剪應力τ的計算公式為

式中 : σ θ 為切向應力 ; σ r 為徑向應力 ; p 0 為原巖應力 ; R 0 為巷道半徑 ; r 為圍巖內任一點至巷道中心的距離 ; α為τ所在截面與主平面間的夾角。如圖1 所示 , 在巷道圍巖內部 , 從周邊開始 , 切向應力σ θ 從 2 p 0 逐漸減小到 p 0 ; 徑向應力從巷道周邊開始 , 從 0 逐漸增到 p 0 ; 圍巖中的主應力差 ( σ θ -σ r ) 從 2 p 0 逐漸變小到 0 , 取 α = 45 ° , 則剪應力 τ達到最大值τmax ,取 R 0 = 2 m, 距圓形巷道周邊不

同距離的主應力差及最大剪應力見表 1 。在距離巷道周邊 1 1 5 m 的巷道圍巖中 , 主應力差降低到0. 653 p 0 , 最大剪應力降低到 0.326 p 0 。即在距離巷道周邊 1 m 以遠的圍巖內部 , 最大主應力差已經降

低到原巖應力值以下。由此可知 , 圓形巷道圍巖需要重點加固的是距離巷道周邊 1 1 5 m 以內的圍巖。

　　當圍巖強度低于 2 p 0 時 , 巷道圍巖周邊以里到原巖應力邊界處隨著時間的推移逐漸從彈性應力狀態過度到彈塑性應力狀態 , 靠近巷道周邊部分形成塑性區 。

　　為了驗證全錨固密集短錨桿用于軟巖巷道的支護效果 , 通過陳四樓煤礦北四采區地應力測定結果及有關文獻資料 , 運用彈塑性理論分別計算常規的長錨桿 ( 相對于本文所述的短錨桿而言 ) 大間排距 (800 mm × 800 mm) 端頭錨固與小間排距短錨桿 ( 密集短錨桿 ) 全錨巷道的塑性區半徑 R P 。

　　彈塑性理論本身并不能反映錨桿尤其是全長錨固的支護機理 , 因此通過分析全長錨固錨桿對被錨固巖體的內摩擦角及黏聚力的影響并結合彈塑性理論來驗證密集短錨桿全長錨固用于軟巖巷道的理論支護效果, 得出的錨固體等效內摩擦角及等效黏聚力與錨桿密度的經驗關系式[2] 如下

φ 1 = arctan 0 1 719 846 961 S 0 1 237 276 106

C 1 = 0 1 348 359 295 + 0 1 011 885 423 7 S

　　其中 : φ 1 為等效內摩擦角 ; S 為錨桿布置密度 ; C 1 為等效黏聚力。等效內摩擦角與等效黏聚力的擬合曲線如圖 2 所示。從圖 2 可以看出 , 等效內摩擦角與等效黏聚力的大小隨著單位面積內錨桿數量的增加而增加。短錨桿的好處是 , 在目前的安裝工藝技術水平條件下 , 較易實現全錨 , 而長錨桿的全錨則比較困難。其次 , 從巷道周邊向圍巖內部 ,圓形巷道圍巖內部剪應力逐漸衰減 , 當距離巷道周邊在 1 1 5 m 以遠時 , 主應力差小于 0 1 653 p 0 , 圍巖本身已足以平衡由圍巖應力產生的荷載。由應力狀其中 : φ 1 為等效內摩擦角 ; S 為錨桿布置密度 ; C 1 為等效黏聚力。等效內摩擦角與等效黏聚力的擬合曲線如圖 2 所示。從圖 2 可以看出 , 等效內

摩擦角與等效黏聚力的大小隨著單位面積內錨桿數量的增加而增加。短錨桿的好處是 , 在目前的安裝工藝技術水平條件下 , 較易實現全錨 , 而長錨桿的全錨則比較困難。其次 , 從巷道周邊向圍巖內部 ,圓形巷道圍巖內部剪應力逐漸衰減 , 當距離巷道周邊在 1 1 5 m 以遠時 , 主應力差小于 0 1 653 p 0 , 圍巖本身已足以平衡由圍巖應力產生的荷載。由應力狀態理論, 最大剪應力所在平面與最大主平面成的夾角為(45° + φ / 2) ,在巷道周邊 , 切向應力為第 1 主應力 , 通過周邊法向的平面為最大主平面 ,因此 , 最大剪應力方向與錨桿桿體成較小銳角 , 由于全長錨固時 , 被錨固巖體的 C 和 φ增大至 C 1 和φ 1 , 所以采用密度較大的短錨桿和全長錨固方式 ,比采用密度較小的長錨桿更有利于抑制巷道圍巖內部由剪應力產生的剪脹現象。

處于平面應變狀態的圓形無限長巷道的塑性區半徑 R P 可由式 (5) 表示

式中 : C 為黏聚力 ; φ為內摩擦角 ; P 是支護力。在錨桿錨固范圍內 , 當采用端頭錨固時 , 因端頭錨固不能改變 C 和 φ , 所以采用巖石模型的 C =0 1 344 6 MPa, φ = 31 1 51 °; 當采用全長錨固時 ,C = C 1 , φ = φ 1 , 具體計算如下。

1)采用長 2 1 2 m 的錨桿 , 端頭錨固 , 間排距取 800 mm × 800 mm, 單根錨桿最大工作阻力 100

kN, R 0 取 2 m, p 0 按永煤集團陳四樓煤礦四采區地應力測試結果取 13 1 566 MPa, 按經驗公式 ( 因端

頭錨固不能改變 C 和φ , 所以取無錨桿時的 C 和 φ值) ,C 1 = 0 1 344 6 , φ 1 = 31 1 51 ° , P = 0 1 156 25

MPa, 求得 R P =5 1 55 m, 塑性區深度為 3 1 55 m 。

2)采用 1 1 6 m 短錨桿 , 全長錨固 , 間排距600 mm × 600 mm, p 0 同上 , 按經驗公式推算 C 1 =

1)采用長 2 1 2 m 的錨桿 , 端頭錨固 , 間排距取 800 mm × 800 mm, 單根錨桿最大工作阻力 100

kN, R 0 取 2 m, p 0 按永煤集團陳四樓煤礦四采區地應力測試結果取 13 1 566 MPa, 按經驗公式 ( 因端

頭錨固不能改變 C 和φ , 所以取無錨桿時的 C 和 φ值) ,C 1 = 0 1 344 6 , φ 1 = 31 1 51 ° , P = 0 1 156 25

MPa, 求得 R P =5 1 55 m, 塑性區深度為 3 1 55 m 。

2)采用 1 1 6 m 短錨桿 , 全長錨固 , 間排距600 mm × 600 mm, p 0 同上 , 按經驗公式推算 C 1 =

2 　試驗研究

　　原巖應力測定地點距離試驗巷道 140 m, 標高相同圖 3 　 2408 運輸車場平面、斷面圖及圍巖深部的原巖第 1 主應力σ 1

2 .1 　工程概況

　　密集短錨桿應用于軟巖的試驗在永煤集團陳四樓煤礦四采區 2408 工作面運輸車場進行 , 如圖 3中的陰影部分所示。該巷道為 2408 采煤工作面連接采區主要巷道與工作面的通道。該處標高- 652 1 4 — - 655 1 0 m, 埋藏深度 688 m 。圍巖為砂質泥巖 , 受多組原生節理、層理切割 , 巖體破碎 ,成形困難。

　　巷道圍巖巖石力學參數測定見表 2, 主應力大小與方向見表 3, 巷道設計斷面形狀為直墻半圓拱形 , 巷道凈寬 3 600 mm, 凈高 3 200 mm 。支護設計采用 MG400 ? 20 mm × 1 1 6 m 螺紋鋼錨桿 , 每根錨桿配 CK2350 超快速錨固劑 1 支 , M2335 慢速低稠錨固劑 2 支 , 間排距 800 mm × 400 mm, 五花形布

置。設計錨桿抗拔力不小 150 kN, 預緊力矩不小于 250 N · m, 設計支護強度 0 1 3 MPa 。

2.2 　施工工藝流程

　　爆破后 , 先在巷道頂部按間排距 800 mm × 800mm 打 5 根 / 排錨桿 ; 隨即進行初噴成形 ; 按五花

形補齊全部錨桿 ; 最后噴射混凝土成巷。具體為 :第 1 班與第 2 班進行爆破、打頂部 5 根 / 排錨桿 ;

第 3 班時初噴成形、補齊全部錨桿及噴射成巷。

2.3 　礦壓觀測

　　采用三點式布點法進行巷道表面收斂觀測 : 即在巷道兩側拱基線處及拱頂處各安裝一個收斂觀測

固定裝置 , 共布置 3 個收斂觀測站。用 SLJ - 02 型收斂計進行觀測。收斂觀測布置如圖 4 所示。 23

線累計收斂值最大為 100 1 44 mm; 13 線最小為35 1 06 mm; 12 線居中 , 為 78 1 74 mm 。經過 203 d

的觀測 , 收斂速度最終穩定在 0 1 1 mm /d 以下 , 累計收斂值 35 1 06 ～ 100 1 44 mm, 其中前 15 d 累計收

斂值達到 10 1 54 ～ 81 1 95 mm, 收斂速度較高 , 為0 1 73 ～ 5 1 46 mm /d ( 圖5)。

2 1 4 　支護效果

　　從巷道外表看 , 左拱肩部有噴層開裂、掉皮現象 , 巷道底板右側水溝部分有輕微底鼓現象。此現象在觀測 60 d 后逐漸穩定不再發展 , 經復噴及拉底后至今未再次出現。經與原巖應力實測結果對照 ,左拱肩與右墻角的連線方向為第 1 主應力方向。因此推測 , 左拱肩部 ( 圖 4 中的 2 和 3 之間 ) 的噴層開裂和巷道底板右側的底鼓現象與構造應力有關。

3 　結 　　語

　　采用密集短錨桿支護方式 , 巷道斷面收縮率小 , 通過簡單復噴、拉底即可滿足生產要求 , 支護效果可以滿足現場要求。從試驗巷道的情況來看 ,密集短錨桿全長錨固用于軟巖巷道支護比密度較大的長錨桿端頭錨固支護的效果好 , 最終巷道能夠達到穩定 , 在巷道服務時間內 , 巷道周邊最大相對位移量在 100 mm, 不需要進行擴修 , 可節省擴修費用 3 000 ～ 4 000 元 /m, 滿足安全使用要求。

　　采用密集短錨桿全長錨固技術可有效抑制圍巖內部由剪應力產生的剪應變 , 使圍巖的剪脹變形逐漸減緩 , 采用密集短錨桿的目的在于重點加強靠近巷道周邊近距離范圍內圍巖的抗剪能力。