于永政 吳起 徐進(jìn) 張寶林 張顯

(1.江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 江蘇徐州 221000； 2.江蘇煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心 南京 210024；3.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

在巷道開掘以前，未經(jīng)采動(dòng)的巖體通常處于彈性變形狀態(tài)[1-2]；巷道掘進(jìn)后，巷道圍巖應(yīng)力由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)[3-4]。巷道交叉點(diǎn)一般需要經(jīng)歷多次掘進(jìn)施工，巷道交叉點(diǎn)巖體經(jīng)歷多次“擾動(dòng)—重新分布”的影響作用，造成掘進(jìn)后的圍巖破碎，承載能力下降。交叉點(diǎn)處第二條巷道掘進(jìn)后，圍巖內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)比第二條巷道開掘前增大 40%～50%[5-7]。同時(shí)，由于巷道交叉點(diǎn)斷面較大，應(yīng)力易在巷道交叉位置集中，造成交叉點(diǎn)巖體的進(jìn)一步破壞，承載能力、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度降低[8]。由于交叉點(diǎn)巖體破碎程度高，目前較常采用錨桿或砌碹的方式進(jìn)行支護(hù)，但在破碎煤體中，錨桿錨固力小，支護(hù)作用降低，而砌碹支護(hù)施工復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，也不利于監(jiān)測(cè)圍巖變形。采用錨桿支護(hù)結(jié)合預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索加固巷道交叉點(diǎn)巖體，可顯著提高交叉點(diǎn)巖體的整體性，改善其力學(xué)性能，提高巷道交叉點(diǎn)圍巖控制效果。

1 對(duì)穿錨索支護(hù)機(jī)理分析

1.1 半平面體力學(xué)計(jì)算分析

由于錨索的預(yù)緊力通過錨索托盤作用于巷道交叉點(diǎn)巖體表面，為了研究預(yù)應(yīng)力錨索作用下巷道交叉點(diǎn)巖體的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)彈性力學(xué)中的半平面體理論，可認(rèn)為托盤整體向巖體表面施加均勻壓力，簡(jiǎn)化為研究半平面體在邊界上受法向分布力作用時(shí)的彈性問題。為了方便計(jì)算，假設(shè)錨索索體垂直于巖體表面，托盤向巖體表面施加的壓力為均勻分布的壓應(yīng)力。建立預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索作用于巖體表面的半平面體力學(xué)模型[9-11]，如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索半平面體力學(xué)模型

選取錨索托盤中間某點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，托盤左右兩端距坐標(biāo)原點(diǎn)距離分別為a、b。取錨索預(yù)緊力q=120 kN，錨索托盤尺寸為300 mm×300 mm，在預(yù)應(yīng)力托盤作用區(qū)域內(nèi)距坐標(biāo)原點(diǎn)距離ξ處，取微小長(zhǎng)度dξ，將這段微小長(zhǎng)度所受的力視為微小集中力dF=qdξ，設(shè)巖體內(nèi)部任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為(x，y)，該點(diǎn)與微小集中力dF的垂直和水平距離分別為x和y-ξ，微小集中力dF在巖體內(nèi)部任意一點(diǎn)引起的應(yīng)力為

(1)

為求出全部分布力所引起的應(yīng)力，需要將各個(gè)微小集中力所引起的應(yīng)力疊加，即對(duì)式(1)積分得

(2)

(3)

式(3)即為半平面體在邊界上受法向分布力時(shí)，半平面體內(nèi)部任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。為了更直觀地表達(dá)巖體內(nèi)部應(yīng)力的分布狀態(tài)，采用三維繪圖軟件繪制半平面體內(nèi)部任意一點(diǎn)的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和剪切應(yīng)力三維分布，如圖2～圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)相鄰錨索間距不變時(shí)，巷道交叉點(diǎn)巖體寬度越小，預(yù)應(yīng)力作用對(duì)圍巖應(yīng)力的影響越大，尤其當(dāng)巖體寬度<5 m更為顯著；當(dāng)巷道交叉點(diǎn)巖體寬度不變時(shí)，相對(duì)對(duì)穿錨索間距減小，預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖應(yīng)力的影響變大。因此，在支護(hù)寬度較窄的巖體時(shí)，如巷道交叉點(diǎn)三角區(qū)支護(hù)，使用預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索支護(hù)可顯著改善其應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 巖體內(nèi)部水平應(yīng)力三維分布

圖3 巖體內(nèi)部垂直應(yīng)力三維分布

圖4 巖體內(nèi)部剪切應(yīng)力三維分布

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了研究預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索加固圍巖的效果，使用數(shù)值模擬軟件建立預(yù)應(yīng)力作用影響計(jì)算模型，分析巷道交叉點(diǎn)圍巖在預(yù)應(yīng)力作用下的應(yīng)力狀態(tài)，揭示預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索與圍巖之間相互作用機(jī)理。數(shù)值模擬計(jì)算得到的應(yīng)力變化如圖5所示。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在錨索托盤底部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且不同錨索之間預(yù)應(yīng)力相互疊加，錨索之間的壓應(yīng)力區(qū)連成整體，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力疊加效應(yīng)，形成有效的預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)。

圖5 預(yù)應(yīng)力作用下巖體的應(yīng)力狀態(tài)

2 巷道交叉點(diǎn)巖體加固原理

對(duì)穿錨索的預(yù)應(yīng)力同時(shí)作用于交叉點(diǎn)巖體的兩側(cè)，控制巷道交叉點(diǎn)巖體中裂隙擴(kuò)展，可改善巖體的力學(xué)性能[12-14]。隨著錨索主動(dòng)向巷道交叉點(diǎn)巖體施加預(yù)應(yīng)力，同時(shí)伴隨圍巖變形，預(yù)應(yīng)力作用效果進(jìn)一步提高，在巖體內(nèi)部預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)作用下，發(fā)揮交叉點(diǎn)巖體的自身承載能力，控制塑性區(qū)發(fā)展，保持巖體處于彈性變形狀態(tài)，減小圍巖變形。

(1)改善交叉點(diǎn)圍巖應(yīng)力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)巖體產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，在巖體內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力集中區(qū)，并通過預(yù)應(yīng)力疊加形成預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)，起到對(duì)抗圍巖變形應(yīng)力的作用。

(2)防止裂隙擴(kuò)展。由于預(yù)應(yīng)力錨索作用于巖體表面，增大了裂隙巖體之間的摩擦力，控制了裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)錨索還可在一定程度上控制巖體剪切滑移。

(3)提高圍巖自身承載能力。由于巷道交叉點(diǎn)斷面大，頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)大，加固后巷道交叉點(diǎn)巖體充分發(fā)揮對(duì)頂板的支撐能力，對(duì)圍巖穩(wěn)定性起到重要作用。通過預(yù)應(yīng)力錨索加固巷道交叉點(diǎn)巖體，形成整體錨固結(jié)構(gòu)，能更好地發(fā)揮圍巖自身承載能力在圍巖控制中的作用。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

實(shí)驗(yàn)巷道埋深約360 m，主要布置在泥巖和細(xì)粒砂巖巖層中，硬度系數(shù)f在2.5～5，頂板為深灰色沙質(zhì)泥巖和灰白色中粗粒砂巖；底板為深灰色砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。實(shí)驗(yàn)巷道頂?shù)装鍘r層特性如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)巷道頂?shù)装鍘r層特性

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)和施工工藝

巷道交叉點(diǎn)巖體在常規(guī)錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用φ17.8 mm的錨索進(jìn)行巷道交叉點(diǎn)巖體加固，長(zhǎng)度根據(jù)巷道交叉點(diǎn)巖體寬度確定，對(duì)穿錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm，錨索托盤尺寸為300 mm×300 mm，與錨桿十字交錯(cuò)布置。主要施工步驟如下：

(1)鉆孔。受巖體結(jié)構(gòu)和對(duì)穿錨索預(yù)應(yīng)力作用的影響，錨索鉆進(jìn)時(shí)要保證鉆孔水平，鉆孔偏斜率不大于5%。鉆孔水平有利于減小對(duì)穿錨索預(yù)應(yīng)力損失，避免應(yīng)力過度集中，提高圍巖控制效果。

(2)預(yù)應(yīng)力錨索安裝。根據(jù)加固的巖體寬度不同，采用張拉機(jī)具施加預(yù)緊力，設(shè)計(jì)錨索預(yù)緊力為100～150 kN。錨索安裝要保證錨索鎖體平直，鎖具鎖緊。

(3)注漿和錨頭保護(hù)。對(duì)穿錨索施加預(yù)應(yīng)力安裝完成后，采用水泥漿進(jìn)行封孔，提高錨索與巖體的整體性。錨索外露長(zhǎng)度不小于200 mm，并采用粗鐵絲對(duì)相鄰?fù)饴跺^索進(jìn)行連接，加強(qiáng)對(duì)巖體和錨索變形的監(jiān)測(cè)，防止錨索突然斷裂造成生產(chǎn)安全事故。

3.3 支護(hù)效果分析

巷道交叉點(diǎn)采用錨桿支護(hù)結(jié)合對(duì)穿錨索加固后，巷道交叉點(diǎn)巖體保持基本穩(wěn)定，掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的裂隙未繼續(xù)擴(kuò)展，交叉點(diǎn)巷道頂板及兩幫整體性良好，未出現(xiàn)明顯的礦壓顯現(xiàn)和巷道變形，巷道交叉點(diǎn)圍巖控制狀態(tài)基本滿足礦井安全生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)論

(1)通過建立半平面體力學(xué)模型，計(jì)算半平面體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)，在支護(hù)寬度較窄的巖體時(shí)使用預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索支護(hù)，可顯著改善其應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)巖體寬度<5 m時(shí)，預(yù)應(yīng)力作用對(duì)巷道交叉點(diǎn)巖體應(yīng)力狀態(tài)具有顯著影響，且巷道交叉點(diǎn)巖體寬度越小，預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索的影響作用越大。通過數(shù)值模擬分析預(yù)應(yīng)力錨索與圍巖之間的相互作用機(jī)理，預(yù)應(yīng)力錨索壓應(yīng)力區(qū)連成整體，產(chǎn)生疊加效應(yīng)，形成有效的預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)。

(2)通過改善巷道交叉點(diǎn)圍巖應(yīng)力狀態(tài)，可控制裂隙擴(kuò)展，減少巖體剪切滑移，形成整體錨固結(jié)構(gòu)，提高圍巖自身承載能力。

(3)巷道交叉點(diǎn)采用錨桿支護(hù)結(jié)合對(duì)穿錨索加固的方法進(jìn)行支護(hù)，取得了良好的應(yīng)用效果，對(duì)巷道交叉點(diǎn)支護(hù)、窄煤柱加固等礦山開采實(shí)踐具有一定的借鑒意義。