深部軟巖巷道錨桿支護(hù)試驗(yàn)研究

深部軟巖巷道錨桿支護(hù)試驗(yàn)研究

在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和采動(dòng)力的影響下，井的變形破壞機(jī)非常復(fù)雜。井防護(hù)的形狀不合理，防護(hù)不匹配，防護(hù)效果差。而現(xiàn)有的錨桿支護(hù)材料大都強(qiáng)度低、剛度低、預(yù)應(yīng)力低和初期錨固力小,不能有效控制圍巖變形發(fā)展。因此,對(duì)不同支護(hù)形式下的巷道支護(hù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究有助于逐漸認(rèn)識(shí)巷道變形破壞機(jī)理,控制巷道圍巖變形和改善巷道支護(hù)效果。本文以協(xié)莊礦1202E運(yùn)輸巷為背景,針對(duì)現(xiàn)有巷道支護(hù)現(xiàn)狀,通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn),對(duì)全螺紋鋼錨桿支護(hù)、淮北高強(qiáng)錨桿支護(hù)和高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)3種支護(hù)形式在協(xié)莊礦1202E運(yùn)輸巷進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究,并對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行分析,為合理確定巷道支護(hù)形式提供依據(jù)。1巷道地質(zhì)特征協(xié)莊礦1202E運(yùn)輸巷位于新汶礦區(qū),埋深1047m。該巷道沿2#煤層頂板掘進(jìn),巷道斷面形狀為梯形。該區(qū)域內(nèi)2#煤層走向80°~90°,平均厚度2.4m,厚度穩(wěn)定,煤巖成分以半亮煤為主,硬度系數(shù)為2~3,煤層傾角20°~26°,巷道巖層分布及巖性特征見表1。在該巷道內(nèi)采用水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量方法進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明,該處最大水平主應(yīng)力為34.6MPa,方向?yàn)镹12.5°E;最小水平主應(yīng)力為17.89MPa,垂直主應(yīng)力為30.48MPa。2理論分析2.1錨桿支護(hù)力學(xué)性質(zhì)研國內(nèi)外學(xué)者對(duì)錨桿支護(hù)理論進(jìn)行了比較全面、系統(tǒng)的研究,大致形成了懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論、最大水平應(yīng)力理論等相關(guān)理論。盡管錨桿支護(hù)在不同地質(zhì)條件下作用機(jī)理可能不同,但錨桿支護(hù)能不同程度地提高錨固煤巖體的強(qiáng)度、彈性模量、凝聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。而且,錨桿能改善破碎區(qū)、塑性區(qū)內(nèi)煤巖石的力學(xué)性質(zhì),提高煤巖體屈服后的強(qiáng)度。2.2巷道支護(hù)形式的對(duì)比試驗(yàn)為研究不同支護(hù)形式及參數(shù)在1202E運(yùn)輸巷的支護(hù)效果,巷道采用了3種支護(hù)形式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。第一種為原巷道支護(hù)采用的全螺紋鋼錨桿,第二種為淮北生產(chǎn)的450號(hào)高強(qiáng)錨桿,第三種為高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿。2.2.1錨桿支護(hù)及錨固方式巷道采用錨帶網(wǎng)及錨索聯(lián)合支護(hù)。頂板采用3600m長的W或M型鋼帶,配10#菱形鐵絲網(wǎng)(網(wǎng)片規(guī)格4000mm×1000mm)及6根直徑為22mm全螺紋鋼錨桿,其中,兩肩窩處的錨桿長為2400mm,其余的長為2200mm,錨桿間排距750mm×1000mm;兩幫各采用ue54f20mm×2000mm全螺紋鋼錨桿配鋼絲繩梯子梁(或鋼筋梯子梁、膠帶梯子梁)及塑料網(wǎng)(上幫網(wǎng)片3500mm×1000mm、下幫網(wǎng)片2000mm×1000mm)護(hù)幫,上幫4根錨桿,間距1000mm,下幫3根錨桿,間距1000mm,錨固方式為加長錨,每根錨桿使用兩根Z2835型樹脂錨固劑。菱形網(wǎng)及塑料網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格為50mm×50mm。2.2.2淮北高羊茅桿保護(hù)參數(shù)原支護(hù)參數(shù)不變,將全螺紋錨桿替換為淮北生產(chǎn)的450號(hào)高強(qiáng)錨桿,錨桿長度和直徑不變。2.2.3錨固、錨桿盤通過數(shù)值模擬分析,確定高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)桿體為25#左旋無縱筋錨桿專用螺紋鋼筋,直徑25mm,長度2.4m,桿尾螺紋為M27。錨固方式采用樹脂加長錨固,采用兩支錨固劑,一支規(guī)格為K2835,另一支規(guī)格為Z2860。采用W鋼帶護(hù)頂護(hù)幫,鋼帶規(guī)格厚度5mm,寬280mm,長3800mm、3500mm和1800mm。錨桿托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤,承載能力不低于400kN。采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂護(hù)幫,網(wǎng)片規(guī)格分別為4500mm×900mm、3600mm×900mm和1900mm×900mm,網(wǎng)孔為50mm×50mm。高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)的錨桿數(shù)量、排列方式與全螺紋鋼錨桿、淮北高強(qiáng)錨桿相一致。2.3支出的效果分析2.3.1錨桿支護(hù)變形量情況圖1為不同支護(hù)形式條件下巷道表面位移觀測(cè)曲線圖。從圖1可以看出,3種錨桿支護(hù)形式對(duì)巷道圍巖變形的控制作用相差很大。其中,全螺紋鋼錨桿支護(hù)段巷道變形量最大,兩幫移近量高達(dá)779mm,兩幫移近速度達(dá)5.23mm/d,頂?shù)装逡平繛?30mm,頂?shù)装逅俣冗_(dá)6.24mm/d;淮北高強(qiáng)錨桿支護(hù)變形量有所減小,但減小的幅度并不大,兩幫移近量仍有507mm,兩幫移近速度達(dá)3.40mm/d,頂?shù)装逡平?66mm,頂?shù)装逅俣冗_(dá)5.81mm/d。相比全螺紋鋼錨桿支護(hù)和淮北高強(qiáng)錨桿支護(hù),高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)效果明顯改善,巷道兩幫移近量?jī)H為173mm,兩幫移近速度僅有1.2mm/d,頂?shù)装逡平績(jī)H為281mm,頂?shù)装逅俣葍H有1.9mm/d。因此,無論是頂?shù)装逡平窟€是兩幫移近量,高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)效果都明顯強(qiáng)于其他兩種支護(hù)方式,說明高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)能更有效控制巷道圍巖的變形。2.3.2種錨桿支護(hù)形式中頂板離層量圖2為不同支護(hù)形式條件下巷道頂板離層觀測(cè)曲線圖。與巷道表面位移規(guī)律相似,3種錨桿支護(hù)形式中全螺紋鋼錨桿支護(hù)頂板離層量最大,最大值約為80mm,淮北高強(qiáng)錨桿支護(hù)頂板離層量次之,最大值約為57mm,高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)離層量最小,最大值約4mm?？梢姼哳A(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。2.3.3錨桿受力分析在現(xiàn)場(chǎng)采用全螺紋鋼錨桿、淮北高強(qiáng)錨桿和高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿各5根進(jìn)行巷道支護(hù)試驗(yàn),表2為運(yùn)輸巷在不同支護(hù)形式條件下巷道錨桿受力計(jì)數(shù)據(jù),從表中可以得出全螺紋鋼錨桿和淮北高強(qiáng)錨桿的測(cè)力計(jì)數(shù)據(jù)上升很快,而高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿由于預(yù)緊力遠(yuǎn)大于其他兩種錨桿,高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿受力變化量較小且相對(duì)穩(wěn)定。高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿有助于將巷道圍巖錨固在一起,形成一個(gè)整體,從而抑制圍巖膨脹離層現(xiàn)象的發(fā)生。從表2中可以看出,全螺紋鋼錨桿初始受力較小,安裝后受力增加很快,可能是受到巷道開挖的影響,錨桿在開挖一定時(shí)間后增長到屈服極限,之后緩慢增長到強(qiáng)度極限,在強(qiáng)度極限后出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象,錨桿拉力減小,直至被拉斷;淮北高強(qiáng)錨桿受力變化幅度相對(duì)較小,但預(yù)緊力不高導(dǎo)致容易被拉斷;高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿由于安裝時(shí)錨桿受力較高,之后變化幅度較小,這是因?yàn)楦哳A(yù)緊力強(qiáng)力錨桿及時(shí)對(duì)圍巖提供了約束力。在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)高預(yù)緊力錨桿未達(dá)到屈服極限,從而杜絕了拉伸破壞的發(fā)生。2.4高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)全螺紋鋼錨桿由于強(qiáng)度低、剛度低、預(yù)緊力小,支護(hù)效果差,巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃螄?yán)重;淮北高強(qiáng)錨桿雖然在錨桿受力和控制巷道變形方面有所改善,但由于預(yù)緊力不高,在深部高地應(yīng)力作用下仍不能有效控制頂板離層和兩幫位移,不能滿足支護(hù)要求;高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿具有強(qiáng)度大、剛度大、預(yù)緊力高的優(yōu)勢(shì),能有效控制頂板離層和兩幫位移,頂板離層量小于10mm,底臌量在300mm以內(nèi),兩幫移近量小于200mm,斷面收縮率由原支護(hù)條件下的45.5%下降為13.6%。同時(shí),高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)還杜絕了錨桿拉伸破壞,實(shí)現(xiàn)了回采巷道一次成巷,巷道支護(hù)狀況發(fā)生了根本性的改變,支護(hù)效果得到大幅度改善。3高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)特點(diǎn)(1)巷道錨桿支護(hù)能不同程度地提高煤巖體強(qiáng)度、彈性模量、凝聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù),改善破碎區(qū)、塑性區(qū)內(nèi)煤巖石的力學(xué)性質(zhì),提高其屈服后的強(qiáng)度,使煤巖的破壞變得相對(duì)平緩。(2)在深部高應(yīng)力條件下,原有的全螺紋鋼錨桿支護(hù)因?yàn)樽陨韽?qiáng)度、剛度、預(yù)緊力低,巷道變形破壞嚴(yán)重;淮北高強(qiáng)錨桿在錨桿受力和控制巷道變形方面有所改善