導語：通過使用ZKXG30鉆孔成像儀對某煤礦南二采區(qū)3上211運輸巷已掘巷道圍巖松動圈進行了鉆探實測，并對鉆孔窺視結果進行了分析。在獲得該巷道變形破壞程度的基礎上, 結合工程地質(zhì)條件，提出了“高強度、低密度”的技術理念，采用了高強預應力注漿錨索為核心的支護技術方案，并確定了支護的主要技術參數(shù)。3上211運輸巷的支護實踐表明，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計和使用要求，在同類條件下，該技術具有廣泛的推廣應用前景。
煤礦動壓巷道“高強度、低密度”錨桿支護技術研究
3上211運輸巷為某煤礦南二采區(qū)東翼工作面回采巷道，巷道沿斷層（∠70°H=40～45m）掘進，并穿過4條斷層。由于斷層及其附近區(qū)域圍巖破碎、存在異常構造應力，巷道掘進過斷層前后支護困難，且易于出現(xiàn)能量積聚和應力集中，存在發(fā)生沖擊地壓危險。為加強巷道頂板完整性及穩(wěn)定性，提高巷道的防沖抵御能力，并適應回采期間的動壓擾動影響，需及時增強支護強度。考慮到現(xiàn)有的錨桿（索）支護理論與技術支護密度大、速度慢的現(xiàn)狀，嚴重制約掘進速度，加劇采掘接續(xù)的緊張程度等問題，現(xiàn)提出了“高強度、低密度”錨桿支護技術理念。
1.工程地質(zhì)概況
圖1 煤（巖）層綜合柱狀圖
3上211運輸巷沿3上煤層頂?shù)装寰蜻M，井下位于南二采區(qū)東翼，設計生產(chǎn)水平-624 m，地面標高+37.7 m～+38.6 m，巷道標高-583.1 m～-617.5 m。該巷道地層整體呈一單斜構造，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°；煤層結構簡單，煤體結構為原生結構煤，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上煤層堅固性系數(shù)f=0.75～1.2/0.97。
2.頂板圍巖松動圈實測
2.1 鉆孔探測設備及其原理
巷道圍巖結構及受力狀態(tài)直接影響到支護效果，如能更清楚的了解巷道圍巖（頂板、兩幫）裂隙發(fā)育情況，對于支護方案設計和安全評價具有指導意義。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，為支護設計提供依據(jù)。尤其是確定錨桿長度的主要依據(jù)，同時也是對巷幫圍巖穩(wěn)定性進行評價的重要依據(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構面和裂隙的分布情況，ZKXG30鉆孔成像儀主要由主機、探頭、深度計數(shù)器構成，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數(shù)據(jù)，深度計數(shù)器記錄探頭前進深度，主機將兩者信號處理，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構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，在評價巷道支護效果及巷道圍巖變形破壞特征研究方面應用效果顯著。
圖2 ZKXG30鉆孔成像儀
2.2 鉆孔探測測站布置
結合巷道地質(zhì)條件和現(xiàn)場巷道的支護狀況，于3上211運輸巷距掘進迎頭4m、19m、40m處布置3個測站進行鉆孔探測。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 鉆孔窺視結果分析
鉆孔探測儀所得探測結果包括每個鉆孔的錄像、鉆孔展開圖和柱狀圖，為了更加直觀的看出整個鉆孔內(nèi)裂隙分布情況，將各測站鉆孔內(nèi)巖體結構和裂隙發(fā)育情況處理成鉆孔裂隙分布示意圖。選取代表性截圖進行說明如下：
圖5 頂板巖層裂隙空間分布特征
（1）觀測結果如下：
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運輸巷鉆孔探測結果進行分析，主要得出以下結論：
①運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)巷道圍巖松動圈理論，所觀測巷道支護條件下圍巖屬Ⅱ類中松動圈。
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度、抗壓強度和抗拉強度，而各層之間相互粘結力較弱，為簡化力學模型，忽略各層之間相互粘結力，并假設n層巖梁的各巖層具有相同的幾何特征和力學特性，利用力學中的變形連續(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造應力的聯(lián)合作用，對層間不具有粘結力的煤巷頂板疊（組）合巖梁內(nèi)力進行分析。
3.1 煤巷頂板疊（組）合巖梁內(nèi)力計算
建立在垂直荷載和水平構造應力聯(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造應力聯(lián)合作用下發(fā)生彎曲變形。由材料力學理論可得疊(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)的最大拉應力。
當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造應力聯(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力之比小于1，采用錨桿支護后組合巖梁最大拉應力小于疊合巖梁的最大拉應力，并且組合巖梁與疊合巖梁的最大拉應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。
如果用錨桿對巷道頂板進行支護，不僅增加組合梁各巖層之間的抗剪強度，使組合梁成為一個整體，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，抗彎曲能力會隨組合梁的層數(shù)的增加而減小，而且可以通過施加預緊力的方式，改善圍巖應力狀態(tài)，降低頂板橫向載荷，減小側(cè)壓系數(shù)，達到優(yōu)化圍巖控制的效果。
4.“高強度、低密度”錨桿支護設計
3上211運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，互層之間的膠結比較薄弱，容易產(chǎn)生離層。建立疊加梁力學分析模型，對3上211運輸巷支護方案進行設計。
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 錨索預緊力的確定
錨索安裝后可立即施加高預緊力，使錨索及時承載，能夠有效抑制離層產(chǎn)生，降低頂板管理難度。當用錨索將若干疊加梁錨固后形成組合疊加梁。復合頂板組合疊加梁在垂直均布荷載和水平構造應力及錨索預緊力聯(lián)合作用下發(fā)生彎曲變形，而不發(fā)生離層，則預緊力需滿足。
確定錨索預緊力不小于180kN。
4.3 錨桿錨索支護參數(shù)確定
巷道頂板布置3根1×7股的Φ21.8×6200 mm高強度錨索（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）支護技術方案
4.4 支護強度計算
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)定結構進行承載。3上211運輸巷直接頂平均厚度為1.85m。
圖11 3上211運輸巷力學模型示意圖
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提供的支撐力。
4.4.1 圍巖支撐力計算
基于受力平衡關系，且不考慮巖塊之間的鉸接關系。由力學模型可知，在不考慮人工支護的情況下，開切眼圍巖受力情況關于開切眼導硐中心線對稱。
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，應為塑性力學問題，通過降低煤體及圍巖的彈性模量，將其轉(zhuǎn)化為彈性力學問題，進行近似求解。
圖12 圍巖變形預計模型圖
假定沿空順槽圍巖變形來自煤層與直接頂厚度變化及擴容，如圖所示，則
圖13 圍巖變形計算模型
4.4.2 工作面幫支撐力計算
由于基本頂和直接頂?shù)膭偠却笥诿后w的剛度，因此認為，認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，作用于工作面幫的支護阻力為P2，取P2=0.163MPa。建立工作面幫力學模型如圖4-7所示。
圖14 工作面幫力學模型示意圖
4.4.3 煤柱側(cè)支撐力計算
同上，認為煤柱側(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)采用錨桿進行支護，即P=0.163MPa，建立煤柱側(cè)力學模型如圖4-8所示。
圖15 煤柱幫力學模型示意圖
煤柱沿走向的尺寸遠大于沿x，y方向上的尺寸，因此認為該問題為平面應變問題。
5.支護效果
3上211運輸巷采用高強度、低密度錨桿支護體系后，無論是掘進速度、施工安全，還是在保持巷道的穩(wěn)定性方面均體現(xiàn)出其獨特的優(yōu)越性。
（1）掘進速度。采用高強預應力注漿錨索支護頂板后，其支護速度比采用普通錨桿、錨索支護速度提高了2倍，能夠?qū)崿F(xiàn)迎頭掘進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。高強預應力注漿錨索即是支護結構的主體，又是注漿加固的載體，實現(xiàn)了支護與加固的一次施工，避免了多余的施工工序，提高了施工效率。同時，減少了對巷道頂板圍巖的多次破壞擾動，并及時對松軟破碎巖體進行補強加固，大大提高了巷道的頂板完整性和支護結構強度，有力的保障了施工安全。
（3）巷道穩(wěn)定性。采用高強度、低密度錨桿支護體系后，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、錨索進行錨固力檢測，樹脂錨桿和注漿錨索均達到了設計的錨固力的要求，因此該支護結構既加固了圍巖，又充分發(fā)揮了錨桿的錨固作用，形成了有效的組合梁結構。
轉(zhuǎn)化果平臺咨詢電話：400-1817-969
