導(dǎo)語：通過使用ZKXG30鉆孔成像儀對某煤礦南二采區(qū)3上211運(yùn)輸巷已掘巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行了鉆探實(shí)測，并對鉆孔窺視結(jié)果進(jìn)行了分析。在獲得該巷道變形破壞程度的基礎(chǔ)上, 結(jié)合工程地質(zhì)條件，提出了“高強(qiáng)度、低密度”的技術(shù)理念，采用了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索為核心的支護(hù)技術(shù)方案，并確定了支護(hù)的主要技術(shù)參數(shù)。3上211運(yùn)輸巷的支護(hù)實(shí)踐表明，新掘巷道的圍巖表面位移值、頂板離層值、錨桿受力情況均符合設(shè)計(jì)和使用要求，在同類條件下，該技術(shù)具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。
煤礦動(dòng)壓巷道“高強(qiáng)度、低密度”錨桿支護(hù)技術(shù)研究
3上211運(yùn)輸巷為某煤礦南二采區(qū)東翼工作面回采巷道，巷道沿?cái)鄬樱ā?0°H=40～45m）掘進(jìn)，并穿過4條斷層。由于斷層及其附近區(qū)域圍巖破碎、存在異常構(gòu)造應(yīng)力，巷道掘進(jìn)過斷層前后支護(hù)困難，且易于出現(xiàn)能量積聚和應(yīng)力集中，存在發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)。為加強(qiáng)巷道頂板完整性及穩(wěn)定性，提高巷道的防沖抵御能力，并適應(yīng)回采期間的動(dòng)壓擾動(dòng)影響，需及時(shí)增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度?？紤]到現(xiàn)有的錨桿（索）支護(hù)理論與技術(shù)支護(hù)密度大、速度慢的現(xiàn)狀，嚴(yán)重制約掘進(jìn)速度，加劇采掘接續(xù)的緊張程度等問題，現(xiàn)提出了“高強(qiáng)度、低密度”錨桿支護(hù)技術(shù)理念。
1.工程地質(zhì)概況
圖1 煤（巖）層綜合柱狀圖
3上211運(yùn)輸巷沿3上煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，井下位于南二采區(qū)東翼，設(shè)計(jì)生產(chǎn)水平-624 m，地面標(biāo)高+37.7 m～+38.6 m，巷道標(biāo)高-583.1 m～-617.5 m。該巷道地層整體呈一單斜構(gòu)造，局部受斷層影響存在寬緩褶曲，地層走向NE，傾向SE，地層傾角8°～12°/10°；煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤，煤厚3.5～4.5/ 4.0 m，切眼小范圍內(nèi)受巖漿巖侵蝕影響，造成局部煤層焦化。3上煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.75～1.2/0.97。
2.頂板圍巖松動(dòng)圈實(shí)測
2.1 鉆孔探測設(shè)備及其原理
巷道圍巖結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)直接影響到支護(hù)效果，如能更清楚的了解巷道圍巖（頂板、兩幫）裂隙發(fā)育情況，對于支護(hù)方案設(shè)計(jì)和安全評價(jià)具有指導(dǎo)意義。礦用鉆孔成像儀可以直接送入錨索錨桿鉆孔和井下地質(zhì)鉆孔中，其輸出的圖像，直觀地反映鉆孔內(nèi)巖體不連續(xù)面（如層理、節(jié)理、裂隙）、頂板離層，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。尤其是確定錨桿長度的主要依據(jù)，同時(shí)也是對巷幫圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)的重要依據(jù)。
此次采用的儀器是ZKXG30鉆孔成像儀觀察和測試頂板及兩幫鉆孔壁上結(jié)構(gòu)面和裂隙的分布情況，ZKXG30鉆孔成像儀主要由主機(jī)、探頭、深度計(jì)數(shù)器構(gòu)成，如圖2-1所示。其工作原理是：通過推桿將探頭勻速送入鉆孔中，采集視屏和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，深度計(jì)數(shù)器記錄探頭前進(jìn)深度，主機(jī)將兩者信號處理，得到孔壁360°展開圖和鉆孔探測錄像。這種測試方法可直觀的觀察和測試鉆孔壁上結(jié)構(gòu)面和裂隙的分布情況，特別適用于取芯率低的破碎煤巖體，方便、快速、成本低，適用于煤礦井下大范圍快速觀測，在評價(jià)巷道支護(hù)效果及巷道圍巖變形破壞特征研究方面應(yīng)用效果顯著。
圖2 ZKXG30鉆孔成像儀
2.2 鉆孔探測測站布置
結(jié)合巷道地質(zhì)條件和現(xiàn)場巷道的支護(hù)狀況，于3上211運(yùn)輸巷距掘進(jìn)迎頭4m、19m、40m處布置3個(gè)測站進(jìn)行鉆孔探測。鉆孔探測布置如圖3、4所示。
圖3 鉆孔探測布置示意圖
圖4 鉆孔探測布置斷面圖
2.3 鉆孔窺視結(jié)果分析
鉆孔探測儀所得探測結(jié)果包括每個(gè)鉆孔的錄像、鉆孔展開圖和柱狀圖，為了更加直觀的看出整個(gè)鉆孔內(nèi)裂隙分布情況，將各測站鉆孔內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)和裂隙發(fā)育情況處理成鉆孔裂隙分布示意圖。選取代表性截圖進(jìn)行說明如下：
圖5 頂板巖層裂隙空間分布特征
（1）觀測結(jié)果如下：
①測站Ⅰ所在巷道處圍巖完整性好。頂板鉆孔在0.52m出現(xiàn)了0.01m的橫向裂隙，在0.45m處出現(xiàn)了0.03m的離層；裂隙發(fā)育帶位于1.0 m以內(nèi)，1.0m以上鉆孔完整性良好。
②測站Ⅱ所在巷道處圍巖完整性好。頂板鉆孔在0.80m出現(xiàn)了0.01m的橫向裂隙，在0.16m-0.22m出現(xiàn)了破碎區(qū)；裂隙發(fā)育帶位于淺部1.0 m以內(nèi)，1.0m以上鉆孔完整性良好。
③測站Ⅲ所在巷道處圍巖完整性好。頂板鉆孔在0.00m和0.40m出現(xiàn)了橫向裂隙，在0.01m出現(xiàn)0.07m離層，在0.12m、0.25m、0.45m和0.52m出現(xiàn)了破碎區(qū)；裂隙發(fā)育帶位于1.0 m以內(nèi)，1.0m以上鉆孔完整性良好。
（2）通過對3上211運(yùn)輸巷鉆孔探測結(jié)果進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：
①運(yùn)輸巷頂板的完整性好，頂板淺部區(qū)域有破碎、離層或裂隙發(fā)育現(xiàn)象；離層及破碎帶位于0.50 m以內(nèi)，裂隙發(fā)育帶位于1.0m以內(nèi)。
②依據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈理論，所觀測巷道支護(hù)條件下圍巖屬Ⅱ類中松動(dòng)圈。
3.基于“有效承載層厚度”的頂板疊加梁理論
煤巷厚層頂板分層呈近水平層狀分布，各厚層頂板分層都具有一定的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，而各層之間相互粘結(jié)力較弱，為簡化力學(xué)模型，忽略各層之間相互粘結(jié)力，并假設(shè)n層巖梁的各巖層具有相同的幾何特征和力學(xué)特性，利用力學(xué)中的變形連續(xù)條件、靜力平衡條件以及迭加原理，考慮上部巖層垂直荷載和水平構(gòu)造應(yīng)力的聯(lián)合作用，對層間不具有粘結(jié)力的煤巷頂板疊（組）合巖梁內(nèi)力進(jìn)行分析。
3.1 煤巷頂板疊（組）合巖梁內(nèi)力計(jì)算
建立在垂直荷載和水平構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)合作用下頂板疊（組）合梁受力模型如圖6、圖7所示。
圖6 頂板疊合巖梁受力模型
圖7 頂板組合巖梁受力模型
煤巷厚層頂板分層疊（組）合巖梁在垂直均布荷載和水平構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)合作用下發(fā)生彎曲變形。由材料力學(xué)理論可得疊(組)合巖梁在荷載作用下最下層跨中的撓度、彎矩和跨中下側(cè)的最大拉應(yīng)力。
當(dāng)用錨桿將疊合巖梁錨固后形成組合梁，如圖7所示。頂板組合巖梁在垂直均布荷載和水平構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)合作用下發(fā)生彎曲變形。
3.2 錨固前后巖梁內(nèi)力對比分析
在垂直荷載和水平荷載聯(lián)合作用下組合巖梁與疊合巖梁的最大拉應(yīng)力之比小于1，采用錨桿支護(hù)后組合巖梁最大拉應(yīng)力小于疊合巖梁的最大拉應(yīng)力，并且組合巖梁與疊合巖梁的最大拉應(yīng)力之比與巖梁疊合層數(shù)、層高、巖梁厚度、彈性模量、跨度、垂直荷載及側(cè)壓力系數(shù)有關(guān)。
如果用錨桿對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，不僅增加組合梁各巖層之間的抗剪強(qiáng)度，使組合梁成為一個(gè)整體，增大頂板疊合梁各巖層厚度，相同載荷情況下巖梁的撓度會(huì)隨組合梁的分層厚度的增加而呈指數(shù)增加，抗彎曲能力會(huì)隨組合梁的層數(shù)的增加而減小，而且可以通過施加預(yù)緊力的方式，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，降低頂板橫向載荷，減小側(cè)壓系數(shù)，達(dá)到優(yōu)化圍巖控制的效果。
4.“高強(qiáng)度、低密度”錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)
3上211運(yùn)輸巷直接頂為平均厚度僅1.85m的泥巖，而基本頂為平均厚度達(dá)16.1m的砂巖泥巖。直接頂與基本頂均屬于典型的層狀沉積巖層，互層之間的膠結(jié)比較薄弱，容易產(chǎn)生離層。建立疊加梁力學(xué)分析模型，對3上211運(yùn)輸巷支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。
圖8 疊加梁模型示意圖
圖9 組合疊加梁模型示意圖
4.1 有效錨固長度確定
在豎向荷載作用下復(fù)合頂板發(fā)生撓曲變形。在撓曲變形過程中，由于第1層厚層頂板分層為堅(jiān)硬巖層，撓度小于第i-1層，而不與其下部巖層協(xié)調(diào)變形的巖層，并控制其上n層厚層頂板分層，與第i+1層-至第i+n層具有相同的變形曲率。第i+n層厚層頂板分層對第i層所形成的載荷。
4.2 錨索預(yù)緊力的確定
錨索安裝后可立即施加高預(yù)緊力，使錨索及時(shí)承載，能夠有效抑制離層產(chǎn)生，降低頂板管理難度。當(dāng)用錨索將若干疊加梁錨固后形成組合疊加梁。復(fù)合頂板組合疊加梁在垂直均布荷載和水平構(gòu)造應(yīng)力及錨索預(yù)緊力聯(lián)合作用下發(fā)生彎曲變形，而不發(fā)生離層，則預(yù)緊力需滿足。
確定錨索預(yù)緊力不小于180kN。
4.3 錨桿錨索支護(hù)參數(shù)確定
巷道頂板布置3根1×7股的Φ21.8×6200 mm高強(qiáng)度錨索（破斷荷載不低于380 kN，延伸率不小于3.5%），間排距為1600×1200 mm，預(yù)緊力不低于180kN，采用規(guī)格為4200×180×3 mm的W鋼帶，采用規(guī)格為4200×1170 mm的φ6.5mm鋼筋網(wǎng)。巷道幫部布置4根Φ20×2200 mm無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距均為1100×1200 mm，頂角與底角錨桿與幫部成15°，采用規(guī)格為4000×80×3mm的 M鋼帶，采用規(guī)格為4500×1100mm 的10#鐵絲金屬菱形網(wǎng)。
圖10 錨桿（索）支護(hù)技術(shù)方案
4.4 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算
錨索錨入頂板穩(wěn)定圍巖中，對頂板成施加軸向約束力，防止頂板離層形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載。3上211運(yùn)輸巷直接頂平均厚度為1.85m。
圖11 3上211運(yùn)輸巷力學(xué)模型示意圖
巷道頂板由于錨索的約束作用，簡化為一層頂板，a為巷道寬度，s為工作面幫煤柱寬度，z為老塘幫煤柱寬度，b為巷道高度，t為力學(xué)模型頂板厚度，R1，R2，R3分別為工作面幫煤柱寬度、老塘幫煤柱寬度和人工支護(hù)提供的支撐力。
4.4.1 圍巖支撐力計(jì)算
基于受力平衡關(guān)系，且不考慮巖塊之間的鉸接關(guān)系。由力學(xué)模型可知，在不考慮人工支護(hù)的情況下，開切眼圍巖受力情況關(guān)于開切眼導(dǎo)硐中心線對稱。
對稱需要特別指出的是：由于開切眼周圍部分煤體已經(jīng)屈服，應(yīng)為塑性力學(xué)問題，通過降低煤體及圍巖的彈性模量，將其轉(zhuǎn)化為彈性力學(xué)問題，進(jìn)行近似求解。
圖12 圍巖變形預(yù)計(jì)模型圖
假定沿空順槽圍巖變形來自煤層與直接頂厚度變化及擴(kuò)容，如圖所示，則
圖13 圍巖變形計(jì)算模型
4.4.2 工作面幫支撐力計(jì)算
由于基本頂和直接頂?shù)膭偠却笥诿后w的剛度，因此認(rèn)為，認(rèn)為工作面幫上邊界為施加給定變形的邊界，下邊界及左邊界可視為 固定邊界；工作面幫采用錨網(wǎng)帶支護(hù)，作用于工作面幫的支護(hù)阻力為P2，取P2=0.163MPa。建立工作面幫力學(xué)模型如圖4-7所示。
圖14 工作面幫力學(xué)模型示意圖
4.4.3 煤柱側(cè)支撐力計(jì)算
同上，認(rèn)為煤柱側(cè)上邊界為施加給定變形的邊界，下邊界及左邊界可視為固定邊界；煤柱側(cè)采用錨桿進(jìn)行支護(hù)，即P=0.163MPa，建立煤柱側(cè)力學(xué)模型如圖4-8所示。
圖15 煤柱幫力學(xué)模型示意圖
煤柱沿走向的尺寸遠(yuǎn)大于沿x，y方向上的尺寸，因此認(rèn)為該問題為平面應(yīng)變問題。
5.支護(hù)效果
3上211運(yùn)輸巷采用高強(qiáng)度、低密度錨桿支護(hù)體系后，無論是掘進(jìn)速度、施工安全，還是在保持巷道的穩(wěn)定性方面均體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)越性。
（1）掘進(jìn)速度。采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索支護(hù)頂板后，其支護(hù)速度比采用普通錨桿、錨索支護(hù)速度提高了2倍，能夠?qū)崿F(xiàn)迎頭掘進(jìn)與后路注漿加固的平行作業(yè)。從而緩解了采掘緊張的矛盾。
（2）施工安全。高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力注漿錨索即是支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，又是注漿加固的載體，實(shí)現(xiàn)了支護(hù)與加固的一次施工，避免了多余的施工工序，提高了施工效率。同時(shí)，減少了對巷道頂板圍巖的多次破壞擾動(dòng)，并及時(shí)對松軟破碎巖體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，大大提高了巷道的頂板完整性和支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有力的保障了施工安全。
（3）巷道穩(wěn)定性。采用高強(qiáng)度、低密度錨桿支護(hù)體系后，巷道變形不明顯。據(jù)觀測，巷道最大變形為9.7mm。通過對錨桿、錨索進(jìn)行錨固力檢測，樹脂錨桿和注漿錨索均達(dá)到了設(shè)計(jì)的錨固力的要求，因此該支護(hù)結(jié)構(gòu)既加固了圍巖，又充分發(fā)揮了錨桿的錨固作用，形成了有效的組合梁結(jié)構(gòu)。
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