張曉偉

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

隨著開(kāi)采深度的增加，高應(yīng)力巷道的支護(hù)問(wèn)題越來(lái)越突出。軟巖發(fā)生了長(zhǎng)期變形；頂板倒塌事故時(shí)有發(fā)生；巖體損傷速率加快[1-2]。與邊坡和水利工程相比，煤礦支護(hù)的典型特點(diǎn)是錨桿長(zhǎng)度較短，施工速度較快，施工空間較小。因此，其他領(lǐng)域的高預(yù)應(yīng)力技術(shù)在煤礦的應(yīng)用受到了極大的限制[3]。

為了解決黏結(jié)強(qiáng)度不足的問(wèn)題，近年來(lái)出現(xiàn)了許多新型錨固材料。同時(shí)，有專(zhuān)家對(duì)錨桿端部受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，以取代傳統(tǒng)的黏結(jié)錨固[4]，并對(duì)新型錐形錨的力學(xué)性能進(jìn)行了研究和優(yōu)化，同時(shí)也對(duì)一些適用于特殊錨固結(jié)構(gòu)的鉆具進(jìn)行了研究。

優(yōu)化支護(hù)參數(shù)對(duì)保障頂板安全、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本至關(guān)重要。錨桿支護(hù)是目前全球普遍采用的保障煤礦巷道安全的主要方式。錨桿支護(hù)參數(shù)的研究方法包括理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和物理模型試驗(yàn)。隨著類(lèi)似材料和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，可利用物理實(shí)驗(yàn)室模型研究巖土工程中復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)等諸多問(wèn)題，揭示可控影響因素對(duì)災(zāi)難性工程的影響[5]。

1 物理模型試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和說(shuō)明

1.1 物理模型設(shè)計(jì)

如圖1所示，所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)由框架模型和監(jiān)控系統(tǒng)組成。適合機(jī)架的最大型號(hào)尺寸為2 500 mm×1 400 mm×200 mm；其中，在物理模型中設(shè)計(jì)了相似的1、2、3號(hào)巷道。三巷道尺寸相同，寬度為270 mm，高度為160 mm，厚度為200 mm。此外，該模型的監(jiān)控系統(tǒng)包括氣壓加載系統(tǒng)和高速攝像機(jī)。通過(guò)對(duì)變形前后兩幅圖像的相同像素點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，獲得了1 280*720像素的分辨率和每秒2張照片的速度來(lái)捕獲變形圖像。位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在模型外表面，在巷道頂板共布置4排監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每排33個(gè)。根據(jù)煤礦的地質(zhì)、工程條件，設(shè)計(jì)并簡(jiǎn)化了物理模型。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)模型示意圖

1.2 超級(jí)錨桿支護(hù)方案及其比較方案

設(shè)計(jì)了三種不同的支護(hù)方案，對(duì)比方案1、方案2和超級(jí)錨桿方案，超級(jí)錨桿支護(hù)方案布置在物理模型3巷道，1、2巷道分別布置兩種對(duì)比方案1、2。方案1由12個(gè)長(zhǎng)度為220 mm的長(zhǎng)錨桿等間隔布置在巷道頂板，所有錨桿的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值均為1 kgf，以1 kgf模擬實(shí)際巷道中200 kN。方案2由18個(gè)長(zhǎng)度110 mm的短錨桿組成，短錨桿在巷道頂板等距布置，所有錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值均為0.2 kgf，采用1 kgf模擬實(shí)際巷道40 kN。超級(jí)錨桿支護(hù)方案由2個(gè)350 mm的超級(jí)錨桿支護(hù)和4個(gè)180 mm的長(zhǎng)錨等間隔布置在3號(hào)巷道頂板，超級(jí)錨桿和其他錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值分別為7.65 kgf和0.6 kgf，采用7.65 kgf和0.6 kgf分別模擬實(shí)際巷道1 500 kN和120 kN。此外，這三種方案分別使用鋼網(wǎng)來(lái)匹配類(lèi)似的錨。

1.3 類(lèi)似預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并選擇了幾種裝置，模擬上述預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案。這些設(shè)備包括道路預(yù)埋模具、類(lèi)似的錨、預(yù)應(yīng)力彈簧、預(yù)應(yīng)力螺母和類(lèi)似的托盤(pán)。如圖2所示，根據(jù)錨桿需要施加的預(yù)應(yīng)力量，選擇合適的彈簧參數(shù)。

圖2 裝置模擬圍巖預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)

選擇了類(lèi)似的彈簧材料，在本次抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，用M4的銅螺釘代替超級(jí)錨；用M2鋼螺釘代替長(zhǎng)錨；短錨改為M2鋼銅螺釘。

為了便于本文的介紹，本文規(guī)定了以下三個(gè)概念：

超級(jí)錨桿是指在采礦工程中，通過(guò)改進(jìn)材料或增大錨桿直徑或改變錨桿結(jié)構(gòu)，將斷裂載荷提升更高的一種較長(zhǎng)的、強(qiáng)度較高的錨桿。

超級(jí)預(yù)應(yīng)力是指在采礦工程中使用超級(jí)錨桿將預(yù)應(yīng)力提升的一種更高的預(yù)應(yīng)力。

超預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)是指在采礦工程中采用超級(jí)錨桿并施加超預(yù)應(yīng)力的高強(qiáng)度支護(hù)方法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 頂板破壞演化過(guò)程

三種不同方案的頂板進(jìn)行了不同的破壞過(guò)程。為了模擬原始巖石應(yīng)力，試驗(yàn)首先對(duì)相似模型施加0.05 MPa的荷載30 min，在此期間三種方案頂板均未發(fā)現(xiàn)裂縫。隨后，施加的載荷在0.5 s內(nèi)瞬間從0.05 MPa增加到0.10 MPa。此時(shí)，三個(gè)方案的屋頂顯示了戲劇性的變形。對(duì)比方案1頂板在巷道1中產(chǎn)生一條小的縱向裂縫。對(duì)比方案2頂板在巷道2中產(chǎn)生了2條較大的縱向裂縫和1條橫向裂縫。對(duì)于超級(jí)錨桿支護(hù)方案頂板，3號(hào)巷道未出現(xiàn)裂縫。在0.5 s內(nèi)，加載載荷瞬間從0.10 MPa增加到0.15 MPa。在此過(guò)程中，2巷發(fā)生了嚴(yán)重的頂板塌落事故，塌落軌跡與前頂板縱向裂隙位置一致。此外，在巷道中出現(xiàn)了無(wú)數(shù)新的裂縫，它的頂部顯示出嚴(yán)重的損壞。與巷道1相比，巷道3的破壞并不明顯，只產(chǎn)生了3條裂縫。連續(xù)施加0.15 MPa載荷4 s后，1號(hào)巷道并未繼續(xù)出現(xiàn)明顯破壞。原因之一是試驗(yàn)所用的氣壓千斤頂（APJ）自身極限伸縮長(zhǎng)度已達(dá)10 cm，無(wú)法繼續(xù)為巷道1提供足夠的載荷。然而，3號(hào)巷道繼續(xù)遭受破壞，直到APJ達(dá)到自己的極限伸縮長(zhǎng)度。頂板被強(qiáng)行破壞后，由于頂板的松散變形，錨桿預(yù)應(yīng)力急劇下降，削弱了超級(jí)錨桿的支護(hù)能力，進(jìn)一步加劇了頂板的劣化。最后，巷道3的破壞程度與巷道1相同。

模型試驗(yàn)完成后，三個(gè)屋面的破碎形狀表現(xiàn)出不同的特征，如圖3所示。從視覺(jué)上看，1號(hào)巷道破壞范圍大（586 mm），3號(hào)巷道破壞范圍?。?95 mm）；在錨桿末端，由于預(yù)應(yīng)力集中程度較高，裂縫開(kāi)度較大，裂縫長(zhǎng)度較大。

圖3 測(cè)試40 min后整體失效模型

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

對(duì)比方案1和方案2屬于傳統(tǒng)的均布錨桿支護(hù)方式，而超級(jí)錨桿支護(hù)方案3是一種強(qiáng)調(diào)在巷道中部使用超預(yù)應(yīng)力錨桿的特殊非均布支護(hù)方式。上述物理模型試驗(yàn)對(duì)三種方案進(jìn)行了比較；結(jié)果表明：在特定階段，超級(jí)錨桿支護(hù)方案的承載力高于對(duì)比方案1和2，頂板破壞范圍小于對(duì)比方案1和2。值得注意的是，超級(jí)錨桿支護(hù)方案的錨桿數(shù)僅為對(duì)比方案1的1/2倍，僅為對(duì)比方案2的1/3倍。原因是錨桿預(yù)應(yīng)力起著關(guān)鍵作用，有助于提高錨桿支護(hù)的承載能力。采用超大型錨桿可以在不削弱支護(hù)效果的前提下擴(kuò)大錨桿間距，減少錨桿數(shù)量，有利于優(yōu)化頂板支護(hù)參數(shù)。然而，研究超預(yù)應(yīng)力錨桿的主要目的不是減少錨桿數(shù)量，而是解決巷道支護(hù)困難的難題。

在物理模型試驗(yàn)中，超級(jí)錨桿支護(hù)方案頂板損傷范圍小于高預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨支護(hù)方案頂板損傷范圍。但錨桿尾端存在較大的應(yīng)力集中和明顯的大開(kāi)裂，會(huì)對(duì)頂板產(chǎn)生危害。此外，超級(jí)錨桿頂板的預(yù)變形位移小于高預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨桿頂板預(yù)變形位移。當(dāng)頂板發(fā)生強(qiáng)震破壞時(shí)，由于頂板的松散變形和破壞，使超級(jí)錨桿支護(hù)的預(yù)應(yīng)力大大降低，大大削弱了超級(jí)錨桿支護(hù)的承載能力。結(jié)果表明，超級(jí)錨桿支護(hù)的變形得到了強(qiáng)化，且最終的強(qiáng)化變形幾乎與對(duì)比方案1相同或更大。

3 結(jié)論

本文主要通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究超預(yù)應(yīng)力錨桿（方案3）的支護(hù)效果。通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果揭示了不同方案下物理模型破壞模式不同的原因。得出以下結(jié)論：

1）采用超級(jí)錨桿，并在頂板中心施加超預(yù)應(yīng)力，可顯著改善圍巖應(yīng)力分布。施加超預(yù)應(yīng)力后，超級(jí)錨桿支護(hù)端部在支護(hù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致超級(jí)錨桿支護(hù)端部頂板分離開(kāi)裂。試驗(yàn)中，方案2頂板首先出現(xiàn)裂縫，方案1出現(xiàn)裂縫，方案3（超級(jí)錨桿方案）結(jié)束。因此，超級(jí)錨桿方案（方案3）比方案1和方案2具有更高的承載力，方案1比方案2具有更高的承載力。

2）超級(jí)錨桿支護(hù)方案（方案3）的變形過(guò)程可分為兩個(gè)階段。第一階段為緩慢變形階段；此時(shí)錨桿的超預(yù)應(yīng)力起著重要的支護(hù)作用，方案3的位移變化率小于方案1。第二階段為變形加速度階段；此時(shí)，由于頂板變形，超預(yù)應(yīng)力在支護(hù)中的作用減弱，方案3的位移變化率大于方案1。