全錨固密集短錨桿在軟巖巷道支護(hù)中的應(yīng)用

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

式中 : σ θ 為切向應(yīng)力 ; σ r 為徑向應(yīng)力 ; p 0 為原巖應(yīng)力 ; R 0 為巷道半徑 ; r 為圍巖內(nèi)任一點(diǎn)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(nèi)部 , 從周邊開(kāi)始 , 切向應(yīng)力σ θ 從 2 p 0 逐漸減小到 p 0 ; 徑向應(yīng)力從巷道周邊開(kāi)始 , 從 0 逐漸增到 p 0 ; 圍巖中的主應(yīng)力差 ( σ θ -σ r ) 從 2 p 0 逐漸變小到 0 , 取 α = 45 ° , 則剪應(yīng)力 τ達(dá)到最大值τmax ,取 R 0 = 2 m, 距圓形巷道周邊不

同距離的主應(yīng)力差及最大剪應(yīng)力見(jiàn)表 1 。在距離巷道周邊 1 1 5 m 的巷道圍巖中 , 主應(yīng)力差降低到0. 653 p 0 , 最大剪應(yīng)力降低到 0.326 p 0 。即在距離巷道周邊 1 m 以遠(yuǎn)的圍巖內(nèi)部 , 最大主應(yīng)力差已經(jīng)降

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

　　當(dāng)圍巖強(qiáng)度低于 2 p 0 時(shí) , 巷道圍巖周邊以里到原巖應(yīng)力邊界處隨著時(shí)間的推移逐漸從彈性應(yīng)力狀態(tài)過(guò)度到彈塑性應(yīng)力狀態(tài) , 靠近巷道周邊部分形成塑性區(qū) 。

　　為了驗(yàn)證全錨固密集短錨桿用于軟巖巷道的支護(hù)效果 , 通過(guò)陳四樓煤礦北四采區(qū)地應(yīng)力測(cè)定結(jié)果及有關(guān)文獻(xiàn)資料 , 運(yùn)用彈塑性理論分別計(jì)算常規(guī)的長(zhǎng)錨桿 ( 相對(duì)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(qū)半徑 R P 。

　　彈塑性理論本身并不能反映錨桿尤其是全長(zhǎng)錨固的支護(hù)機(jī)理 , 因此通過(guò)分析全長(zhǎng)錨固錨桿對(duì)被錨固巖體的內(nèi)摩擦角及黏聚力的影響并結(jié)合彈塑性理論來(lái)驗(yàn)證密集短錨桿全長(zhǎng)錨固用于軟巖巷道的理論支護(hù)效果, 得出的錨固體等效內(nèi)摩擦角及等效黏聚力與錨桿密度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)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(nèi)摩擦角 ; S 為錨桿布置密度 ; C 1 為等效黏聚力。等效內(nèi)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(nèi)摩擦角與等效黏聚力的大小隨著單位面積內(nèi)錨桿數(shù)量的增加而增加。短錨桿的好處是 , 在目前的安裝工藝技術(shù)水平條件下 , 較易實(shí)現(xiàn)全錨 , 而長(zhǎng)錨桿的全錨則比較困難。其次 , 從巷道周邊向圍巖內(nèi)部 ,圓形巷道圍巖內(nèi)部剪應(yīng)力逐漸衰減 , 當(dāng)距離巷道周邊在 1 1 5 m 以遠(yuǎn)時(shí) , 主應(yīng)力差小于 0 1 653 p 0 , 圍巖本身已足以平衡由圍巖應(yīng)力產(chǎn)生的荷載。由應(yīng)力狀其中 : φ 1 為等效內(nèi)摩擦角 ; S 為錨桿布置密度 ; C 1 為等效黏聚力。等效內(nèi)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(nèi)

摩擦角與等效黏聚力的大小隨著單位面積內(nèi)錨桿數(shù)量的增加而增加。短錨桿的好處是 , 在目前的安裝工藝技術(shù)水平條件下 , 較易實(shí)現(xiàn)全錨 , 而長(zhǎng)錨桿的全錨則比較困難。其次 , 從巷道周邊向圍巖內(nèi)部 ,圓形巷道圍巖內(nèi)部剪應(yīng)力逐漸衰減 , 當(dāng)距離巷道周邊在 1 1 5 m 以遠(yuǎn)時(shí) , 主應(yīng)力差小于 0 1 653 p 0 , 圍巖本身已足以平衡由圍巖應(yīng)力產(chǎn)生的荷載。由應(yīng)力狀態(tài)理論, 最大剪應(yīng)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(yīng)力為第 1 主應(yīng)力 , 通過(guò)周邊法向的平面為最大主平面 ,因此 , 最大剪應(yīng)力方向與錨桿桿體成較小銳角 , 由于全長(zhǎng)錨固時(shí) , 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(zhǎng)錨固方式 ,比采用密度較小的長(zhǎng)錨桿更有利于抑制巷道圍巖內(nèi)部由剪應(yīng)力產(chǎn)生的剪脹現(xiàn)象。

處于平面應(yīng)變狀態(tài)的圓形無(wú)限長(zhǎng)巷道的塑性區(qū)半徑 R P 可由式 (5) 表示

式中 : C 為黏聚力 ; φ為內(nèi)摩擦角 ; P 是支護(hù)力。在錨桿錨固范圍內(nèi) , 當(dāng)采用端頭錨固時(shí) , 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(dāng)采用全長(zhǎng)錨固時(shí) ,C = C 1 , φ = φ 1 , 具體計(jì)算如下。

1)采用長(zhǎng) 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(tuán)陳四樓煤礦四采區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果取 13 1 566 MPa, 按經(jīng)驗(yàn)公式 ( 因端

頭錨固不能改變 C 和φ , 所以取無(wú)錨桿時(shí)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(qū)深度為 3 1 55 m 。

2)采用 1 1 6 m 短錨桿 , 全長(zhǎng)錨固 , 間排距600 mm × 600 mm, p 0 同上 , 按經(jīng)驗(yàn)公式推算 C 1 =

1)采用長(zhǎng) 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(tuán)陳四樓煤礦四采區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果取 13 1 566 MPa, 按經(jīng)驗(yàn)公式 ( 因端

頭錨固不能改變 C 和φ , 所以取無(wú)錨桿時(shí)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(qū)深度為 3 1 55 m 。

2)采用 1 1 6 m 短錨桿 , 全長(zhǎng)錨固 , 間排距600 mm × 600 mm, p 0 同上 , 按經(jīng)驗(yàn)公式推算 C 1 =

2 　試驗(yàn)研究

　　原巖應(yīng)力測(cè)定地點(diǎn)距離試驗(yàn)巷道 140 m, 標(biāo)高相同圖 3 　 2408 運(yùn)輸車場(chǎng)平面、斷面圖及圍巖深部的原巖第 1 主應(yīng)力σ 1

2 .1 　工程概況

　　密集短錨桿應(yīng)用于軟巖的試驗(yàn)在永煤集團(tuán)陳四樓煤礦四采區(qū) 2408 工作面運(yùn)輸車場(chǎng)進(jìn)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(qū)主要巷道與工作面的通道。該處標(biāo)高- 652 1 4 — - 655 1 0 m, 埋藏深度 688 m 。圍巖為砂質(zhì)泥巖 , 受多組原生節(jié)理、層理切割 , 巖體破碎 ,成形困難。

　　巷道圍巖巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定見(jiàn)表 2, 主應(yīng)力大小與方向見(jiàn)表 3, 巷道設(shè)計(jì)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(hù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)錨桿抗拔力不小 150 kN, 預(yù)緊力矩不小于 250 N · m, 設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)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(jìn)行初噴成形 ; 按五花

形補(bǔ)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(jìn)行爆破、打頂部 5 根 / 排錨桿 ;

第 3 班時(shí)初噴成形、補(bǔ)齊全部錨桿及噴射成巷。

2.3 　礦壓觀測(cè)

　　采用三點(diǎn)式布點(diǎn)法進(jìn)行巷道表面收斂觀測(cè) : 即在巷道兩側(cè)拱基線處及拱頂處各安裝一個(gè)收斂觀測(cè)

固定裝置 , 共布置 3 個(gè)收斂觀測(cè)站。用 SLJ - 02 型收斂計(jì)進(jìn)行觀測(cè)。收斂觀測(cè)布置如圖 4 所示。 23

線累計(jì)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(jīng)過(guò) 203 d

的觀測(cè) , 收斂速度最終穩(wěn)定在 0 1 1 mm /d 以下 , 累計(jì)收斂值 35 1 06 ～ 100 1 44 mm, 其中前 15 d 累計(jì)收

斂值達(dá)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(hù)效果

　　從巷道外表看 , 左拱肩部有噴層開(kāi)裂、掉皮現(xiàn)象 , 巷道底板右側(cè)水溝部分有輕微底鼓現(xiàn)象。此現(xiàn)象在觀測(cè) 60 d 后逐漸穩(wěn)定不再發(fā)展 , 經(jīng)復(fù)噴及拉底后至今未再次出現(xiàn)。經(jīng)與原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)照 ,左拱肩與右墻角的連線方向?yàn)榈?1 主應(yīng)力方向。因此推測(cè) , 左拱肩部 ( 圖 4 中的 2 和 3 之間 ) 的噴層開(kāi)裂和巷道底板右側(cè)的底鼓現(xiàn)象與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)。

3 　結(jié) 　　語(yǔ)

　　采用密集短錨桿支護(hù)方式 , 巷道斷面收縮率小 , 通過(guò)簡(jiǎn)單復(fù)噴、拉底即可滿足生產(chǎn)要求 , 支護(hù)效果可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。從試驗(yàn)巷道的情況來(lái)看 ,密集短錨桿全長(zhǎng)錨固用于軟巖巷道支護(hù)比密度較大的長(zhǎng)錨桿端頭錨固支護(hù)的效果好 , 最終巷道能夠達(dá)到穩(wěn)定 , 在巷道服務(wù)時(shí)間內(nèi) , 巷道周邊最大相對(duì)位移量在 100 mm, 不需要進(jìn)行擴(kuò)修 , 可節(jié)省擴(kuò)修費(fèi)用 3 000 ～ 4 000 元 /m, 滿足安全使用要求。

　　采用密集短錨桿全長(zhǎng)錨固技術(shù)可有效抑制圍巖內(nèi)部由剪應(yīng)力產(chǎn)生的剪應(yīng)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(diǎn)加強(qiáng)靠近巷道周邊近距離范圍內(nèi)圍巖的抗剪能力。