土木工程

深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用

孟庆彬，韩立军，张帆舸，等

摘要：目的：我国煤炭开采已从浅部逐渐进入深部开采阶段，深部软岩巷道围岩大变形、难支护等难题越凸显，以锚杆和锚索耦合支护为核心的锚固与注浆分步联合支护技术体系是解决深部软岩巷道支护难题的有效技术途径。本文针对锚杆和锚索耦合支护效应与深部巷道稳定控制难题，采用理论分析、数值模拟及大型三维相似材料模型试验等综合技术手段，力图揭示深部软岩巷道锚杆和锚索耦合支护效应和锚注分步联合控制机理。方法：首先，为较好地反映出锚杆、锚索施加后产生的支护应力场，在不考虑原岩应力场的条件下，采用FLAC3D模拟分析不同预紧力与间排距条件下（共计216个数值计算模型）锚杆、锚索产生的支护应力场的分布特征，并提出采用围岩应力扩大系数k来表征巷道围岩应力的扩散特征，分析锚杆和锚索预紧力及间排距的变化对巷道围岩位移的控制效果，力图揭示锚杆、锚索耦合支护效应，为其合理预紧力与间排距的设计提供依据。然后，针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件，基于理论分析与工程类比及数值模拟分析，提出了深部高应力软岩巷道采用“锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注”分步联合支护技术方案。并且，为进一步验证分步联合支护技术方案对深部高应力软岩巷道围岩控制效果，采用WYQ1000-1型大型真三轴地下工程综合模拟试验系统，开展了深部巷道开挖与支护耦合控制效应相似材料模型试验，揭示了巷道围岩的表面位移和锚杆、锚索及U型钢支架的受力演化规律，反映了深部高应力软岩巷道围岩稳定控制效果。最后，为检验分步联合支护技术是否可行，在淮南矿区朱集西矿东翼11煤轨道大巷和东翼11煤胶带机大巷进行了井下工业性试验，及时反馈监测信息，为进一步优化联合支护设计提供了原始数据和借鉴。结果：① 锚杆可控制煤岩体离层、滑动、裂隙张开等结构面变形，保持煤岩体的完整性、连续性及稳定性，并可改善巷道开挖后围岩的扰动应力场，抑制拉应力区的产生，减小剪应力区，限制煤岩体拉伸、剪切破坏的出现。锚索可充分调动深部稳定煤岩体的承载能力，对围岩施加有效约束作用；锚索施加的预紧力较大，可将锚杆端部的拉应力区抵消而转化为压应力区，使得在锚杆与锚索锚固范围内的压应力区相互叠加，在巷道围岩内形成较大范围、且完整的压应力主动支护区。② 基于锚杆和锚索预紧力理论分析、模型试验与数值模拟计算综合分析，确定预紧力合理范围：锚杆预紧力为60～100 kN，锚索预紧力为140～180 kN；最佳预紧力组合：锚杆间排距为700 mm×700 mm，锚杆预紧力为80 kN，锚索预紧力为160 kN；此时可形成耦合支护结构，锚杆、锚索锚固区内压应力区的数值及范围较大，并能在巷道周边形成完整的压应力叠加区，可充分发挥锚杆、锚索的耦合支护效应，保证巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全，提高锚网索对围岩的控制效果。③ 提高锚杆与锚索预紧力的数值时，对巷道围岩强度参数的改变不明显，虽然巷道围岩塑性区范围呈逐渐减小的趋势，但其变化幅度较小。可采用注浆加固技术，浆液通过挤压或渗透作用，将破裂岩体内的裂隙或孔隙充填密实，通过浆液的胶结作用，将破裂岩体重新胶结成一个完整体，可提高破碎岩体的强度；注浆后改善了岩体不连续面的强度和变形模量等，可大幅度地提高破裂岩体的凝聚力 c、内摩擦角 φ，从而提高破裂围岩的强度与自承载力，有利于深部巷道围岩的长期稳定及安全。④ 针对淮南矿区朱集西矿深部巷道特征与地质条件，基于理论分析与工程类比及数值模拟分析，提出了“锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注”分步联合支护技术方案与参数，开展了大型三维相似材料模型试验，揭示了深部高应力软岩巷道的表面位移和锚杆、锚索及U型钢支架的受力演化规律。井下巷道支护实践表明，开拓巷道围岩顶板下沉量为 3.54～20.94 mm，两帮内挤量为10.36～47.36 mm，底板底臌量为5.9～33.4 mm，较好地解决了深部高应力软岩巷道支护难题。结论：本文采用FLAC3D分析了不同预紧力与间排距条件下锚杆、锚索产生的巷道围岩支护应力场的分布特征，定义了围岩应力扩大系数k来表征巷道围岩应力的扩散效果，揭示了锚杆、锚索预紧力耦合支护效应。针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件，提出了锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注分步联合支护技术方案，开展了大型三维相似材料模型试验，揭示了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏与支护结构受力演化规律，验证了该支护技术方案的合理性与可行性；并成功应用于井下工程实践，较好地解决了深部高应力软岩巷道支护难题。

来源出版物：岩土力学, 2017, 35(8)： 1424-1435

入选年份：2017