全锚固密集短锚杆在软岩巷道支护中的应用

1 　全锚固密集短锚杆软岩支护的原理由相对于轴对称的圆形断面巷道平面应变状态的弹性应力状态理论, 得出巷道围岩内的主应力差 ( σ θ - σ r ) 及与主平面成任意夹角的平面上的剪应力τ的计算公式为

式中 : σ θ 为切向应力 ; σ r 为径向应力 ; p 0 为原岩应力 ; R 0 为巷道半径 ; r 为围岩内任一点至巷道中心的距离 ; α为τ所在截面与主平面间的夹角。如图1 所示 , 在巷道围岩内部 , 从周边开始 , 切向应力σ θ 从 2 p 0 逐渐减小到 p 0 ; 径向应力从巷道周边开始 , 从 0 逐渐增到 p 0 ; 围岩中的主应力差 ( σ θ -σ r ) 从 2 p 0 逐渐变小到 0 , 取 α = 45 ° , 则剪应力 τ达到最大值τmax ,取 R 0 = 2 m, 距圆形巷道周边不

同距离的主应力差及最大剪应力见表 1 。在距离巷道周边 1 1 5 m 的巷道围岩中 , 主应力差降低到0. 653 p 0 , 最大剪应力降低到 0.326 p 0 。即在距离巷道周边 1 m 以远的围岩内部 , 最大主应力差已经降

低到原岩应力值以下。由此可知 , 圆形巷道围岩需要重点加固的是距离巷道周边 1 1 5 m 以内的围岩。

　　当围岩强度低于 2 p 0 时 , 巷道围岩周边以里到原岩应力边界处随着时间的推移逐渐从弹性应力状态过度到弹塑性应力状态 , 靠近巷道周边部分形成塑性区 。

　　为了验证全锚固密集短锚杆用于软岩巷道的支护效果 , 通过陈四楼煤矿北四采区地应力测定结果及有关文献资料 , 运用弹塑性理论分别计算常规的长锚杆 ( 相对于本文所述的短锚杆而言 ) 大间排距 (800 mm × 800 mm) 端头锚固与小间排距短锚杆 ( 密集短锚杆 ) 全锚巷道的塑性区半径 R P 。

　　弹塑性理论本身并不能反映锚杆尤其是全长锚固的支护机理 , 因此通过分析全长锚固锚杆对被锚固岩体的内摩擦角及黏聚力的影响并结合弹塑性理论来验证密集短锚杆全长锚固用于软岩巷道的理论支护效果, 得出的锚固体等效内摩擦角及等效黏聚力与锚杆密度的经验关系式[2] 如下

φ 1 = arctan 0 1 719 846 961 S 0 1 237 276 106

C 1 = 0 1 348 359 295 + 0 1 011 885 423 7 S

　　其中 : φ 1 为等效内摩擦角 ; S 为锚杆布置密度 ; C 1 为等效黏聚力。等效内摩擦角与等效黏聚力的拟合曲线如图 2 所示。从图 2 可以看出 , 等效内摩擦角与等效黏聚力的大小随着单位面积内锚杆数量的增加而增加。短锚杆的好处是 , 在目前的安装工艺技术水平条件下 , 较易实现全锚 , 而长锚杆的全锚则比较困难。其次 , 从巷道周边向围岩内部 ,圆形巷道围岩内部剪应力逐渐衰减 , 当距离巷道周边在 1 1 5 m 以远时 , 主应力差小于 0 1 653 p 0 , 围岩本身已足以平衡由围岩应力产生的荷载。由应力状其中 : φ 1 为等效内摩擦角 ; S 为锚杆布置密度 ; C 1 为等效黏聚力。等效内摩擦角与等效黏聚力的拟合曲线如图 2 所示。从图 2 可以看出 , 等效内

摩擦角与等效黏聚力的大小随着单位面积内锚杆数量的增加而增加。短锚杆的好处是 , 在目前的安装工艺技术水平条件下 , 较易实现全锚 , 而长锚杆的全锚则比较困难。其次 , 从巷道周边向围岩内部 ,圆形巷道围岩内部剪应力逐渐衰减 , 当距离巷道周边在 1 1 5 m 以远时 , 主应力差小于 0 1 653 p 0 , 围岩本身已足以平衡由围岩应力产生的荷载。由应力状态理论, 最大剪应力所在平面与最大主平面成的夹角为(45° + φ / 2) ,在巷道周边 , 切向应力为第 1 主应力 , 通过周边法向的平面为最大主平面 ,因此 , 最大剪应力方向与锚杆杆体成较小锐角 , 由于全长锚固时 , 被锚固岩体的 C 和 φ增大至 C 1 和φ 1 , 所以采用密度较大的短锚杆和全长锚固方式 ,比采用密度较小的长锚杆更有利于抑制巷道围岩内部由剪应力产生的剪胀现象。

处于平面应变状态的圆形无限长巷道的塑性区半径 R P 可由式 (5) 表示

式中 : C 为黏聚力 ; φ为内摩擦角 ; P 是支护力。在锚杆锚固范围内 , 当采用端头锚固时 , 因端头锚固不能改变 C 和 φ , 所以采用岩石模型的 C =0 1 344 6 MPa, φ = 31 1 51 °; 当采用全长锚固时 ,C = C 1 , φ = φ 1 , 具体计算如下。

1)采用长 2 1 2 m 的锚杆 , 端头锚固 , 间排距取 800 mm × 800 mm, 单根锚杆最大工作阻力 100

kN, R 0 取 2 m, p 0 按永煤集团陈四楼煤矿四采区地应力测试结果取 13 1 566 MPa, 按经验公式 ( 因端

头锚固不能改变 C 和φ , 所以取无锚杆时的 C 和 φ值) ,C 1 = 0 1 344 6 , φ 1 = 31 1 51 ° , P = 0 1 156 25

MPa, 求得 R P =5 1 55 m, 塑性区深度为 3 1 55 m 。

2)采用 1 1 6 m 短锚杆 , 全长锚固 , 间排距600 mm × 600 mm, p 0 同上 , 按经验公式推算 C 1 =

1)采用长 2 1 2 m 的锚杆 , 端头锚固 , 间排距取 800 mm × 800 mm, 单根锚杆最大工作阻力 100

kN, R 0 取 2 m, p 0 按永煤集团陈四楼煤矿四采区地应力测试结果取 13 1 566 MPa, 按经验公式 ( 因端

头锚固不能改变 C 和φ , 所以取无锚杆时的 C 和 φ值) ,C 1 = 0 1 344 6 , φ 1 = 31 1 51 ° , P = 0 1 156 25

MPa, 求得 R P =5 1 55 m, 塑性区深度为 3 1 55 m 。

2)采用 1 1 6 m 短锚杆 , 全长锚固 , 间排距600 mm × 600 mm, p 0 同上 , 按经验公式推算 C 1 =

2 　试验研究

　　原岩应力测定地点距离试验巷道 140 m, 标高相同图 3 　 2408 运输车场平面、断面图及围岩深部的原岩第 1 主应力σ 1

2 .1 　工程概况

　　密集短锚杆应用于软岩的试验在永煤集团陈四楼煤矿四采区 2408 工作面运输车场进行 , 如图 3中的阴影部分所示。该巷道为 2408 采煤工作面连接采区主要巷道与工作面的通道。该处标高- 652 1 4 — - 655 1 0 m, 埋藏深度 688 m 。围岩为砂质泥岩 , 受多组原生节理、层理切割 , 岩体破碎 ,成形困难。

　　巷道围岩岩石力学参数测定见表 2, 主应力大小与方向见表 3, 巷道设计断面形状为直墙半圆拱形 , 巷道净宽 3 600 mm, 净高 3 200 mm 。支护设计采用 MG400 « 20 mm × 1 1 6 m 螺纹钢锚杆 , 每根锚杆配 CK2350 超快速锚固剂 1 支 , M2335 慢速低稠锚固剂 2 支 , 间排距 800 mm × 400 mm, 五花形布

置。设计锚杆抗拔力不小 150 kN, 预紧力矩不小于 250 N · m, 设计支护强度 0 1 3 MPa 。

2.2 　施工工艺流程

　　爆破后 , 先在巷道顶部按间排距 800 mm × 800mm 打 5 根 / 排锚杆 ; 随即进行初喷成形 ; 按五花

形补齐全部锚杆 ; 最后喷射混凝土成巷。具体为 :第 1 班与第 2 班进行爆破、打顶部 5 根 / 排锚杆 ;

第 3 班时初喷成形、补齐全部锚杆及喷射成巷。

2.3 　矿压观测

　　采用三点式布点法进行巷道表面收敛观测 : 即在巷道两侧拱基线处及拱顶处各安装一个收敛观测

固定装置 , 共布置 3 个收敛观测站。用 SLJ - 02 型收敛计进行观测。收敛观测布置如图 4 所示。 23

线累计收敛值最大为 100 1 44 mm; 13 线最小为35 1 06 mm; 12 线居中 , 为 78 1 74 mm 。经过 203 d

的观测 , 收敛速度最终稳定在 0 1 1 mm /d 以下 , 累计收敛值 35 1 06 ～ 100 1 44 mm, 其中前 15 d 累计收

敛值达到 10 1 54 ～ 81 1 95 mm, 收敛速度较高 , 为0 1 73 ～ 5 1 46 mm /d ( 图5)。

2 1 4 　支护效果

　　从巷道外表看 , 左拱肩部有喷层开裂、掉皮现象 , 巷道底板右侧水沟部分有轻微底鼓现象。此现象在观测 60 d 后逐渐稳定不再发展 , 经复喷及拉底后至今未再次出现。经与原岩应力实测结果对照 ,左拱肩与右墙角的连线方向为第 1 主应力方向。因此推测 , 左拱肩部 ( 图 4 中的 2 和 3 之间 ) 的喷层开裂和巷道底板右侧的底鼓现象与构造应力有关。

3 　结 　　语

　　采用密集短锚杆支护方式 , 巷道断面收缩率小 , 通过简单复喷、拉底即可满足生产要求 , 支护效果可以满足现场要求。从试验巷道的情况来看 ,密集短锚杆全长锚固用于软岩巷道支护比密度较大的长锚杆端头锚固支护的效果好 , 最终巷道能够达到稳定 , 在巷道服务时间内 , 巷道周边最大相对位移量在 100 mm, 不需要进行扩修 , 可节省扩修费用 3 000 ～ 4 000 元 /m, 满足安全使用要求。

　　采用密集短锚杆全长锚固技术可有效抑制围岩内部由剪应力产生的剪应变 , 使围岩的剪胀变形逐渐减缓 , 采用密集短锚杆的目的在于重点加强靠近巷道周边近距离范围内围岩的抗剪能力。