深井软岩巷道温压耦合作用下锚固体破坏机理及应用研究

2022-07-21 09:02王佳奇姚直书刘小虎乔帅星
煤炭工程 2022年7期
关键词:锚杆围岩受力

王佳奇,姚直书,刘小虎,王 晨,乔帅星

(安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

目前我国已探明的煤炭资源约60%埋深在800m以下,开采深度还以每年10~25m的速度增加[1]。深部煤炭的开采受“三高一扰动”的影响相较于浅部煤炭的开采更为严重。深部巷道的复杂地层环境对巷道的支护技术要求更为苛刻。锚杆支护因具有安全性高、支护效果好和经济成本低等优点广泛应用于深部煤矿巷道[2-5]。但众多研究表明随着开挖深度和广度的增加,地温和地压的逐渐增大,锚杆失锚率也不断增大[6]。为应对深部巷道复杂地层环境支护的难题,国内外学者提出了全长预应力锚固技术,该项技术能够及时地对围岩产生阻力,限制剪切运动引起的围岩变形,并且锚杆和岩层之间的黏结强度越大,刚度越高,抵抗巷道围岩变形的能力越强[7]。

为进一步提高锚杆支护抵抗巷道围岩变形的能力,国内外学者在锚固体变形破坏特征研究领域进行了广泛研究[8-14],孟波等[8]通过自主研制的真三轴压力平台对围岩锚固体反复加卸载得到破裂岩体,研究破裂围岩锚固体和锚杆的变形破坏特征。但关于全长锚固体在温压共同作用下的文献较为少见。

淮南丁集矿西三集中轨道大巷标高-812.3~-825.6m,地层平缓,平均倾角1°~4°受西一采区上覆工作面及下伏工作面采空区的应力重分布影响,巷道围岩受力复杂。以该矿轨道大巷为工程背景,采用相似模拟方法模拟深部巷道的锚杆锚固体,在温压加载装置上对锚杆锚固体试件进行加载试验,对温压作用下锚固体的破裂特征、锚固体水平变形以及锚杆的受力情况进行研究,最后基于试验结果,分析了温-压作用下锚固体以及锚杆的变形破坏特征。对探究深部巷道的全长锚固体的锚固机理以及锚固体破裂变形特征有着重要指导意义。

1 试验设计

1.1 试验模型

结合巷道的实际情况及文献[15,16]中研究方法。巷道开挖后,岩石的原始应力状态被打破,围岩应力重新分布,当围岩应力再次达到平衡,对巷道围岩锚固体其中一个长方体单元分析,如图1(a)所示。相似模型试验因其可以控制主要试验参数不受环境条件的限制和影响,便于进行对比试验,经济性好等优点被广泛用于巷道锚杆锚固体的研究,通过构建相似模型,对锚固体单元缩小,研究锚杆锚固体的变形破坏特征。巷道中的锚固体水平和竖直方向受到周围岩体挤压,锚固体背面可认为是无限大面,由于围岩自承能力,受力较小,作为锚固体的第三主应力。地下岩层温度高,温度由高温向低温传递,锚杆锚固体温度升高。在地温和地压的作用下锚杆锚固体发生破裂变形。锚固体力学模型如图1(b)所示。

图1 锚固体承载(mm)

1.2 模型材料

表1 相似材料和原型的物理力学参数

1.3 锚固体的制作

锚固体制作步骤:①模具两端开洞穿入圆管;②根据配比浇筑试块;③相似材料初凝抽出圆管拆模;④打磨锚杆贴应变片;⑤锚孔塞入锚固剂锚入锚杆;⑥旋上托盘施加预应力。制作过程中为便于抽出圆管,浇筑前在圆管上刷少量润滑油;为减小应变片导线对锚固剂锚固的影响选用特细导线;为保证锚固剂能达到全锚要求,在锚孔中塞入半孔以上的树脂锚固剂,然后将锚杆匀速插入其中,当树脂锚固剂溢出,即完成锚杆锚固体全锚。

1.4 试验装置及测试手段

试验设计的温-压加载装置如图2所示。竖向荷载由万能试验机提供,水平荷载由位于试块两侧最大加载量为1000kN的千斤顶提供,千斤顶顶头作用在厚度为40mm的钢板,通过钢板对试块施加水平荷载,千斤顶后部作用在制作的工字钢反力架上,两个工字钢由∅50mm的螺杆牵拉约束工字钢向后移动。千斤顶的压力大小通过油泵上的数显压力控制器读数。为防止水平和竖直方向的传力钢板相互咬合,合理选择钢板的尺寸。锚固体后侧采用厚度为20mm的钢板作为挡板,挡板后放置荷重传感器收集应力。在锚固体两侧及临空面各放置一个型号为CW-YB-50的位移计。温度加载选用四块长×宽×高=200mm×150mm×20mm功率为900W的铸铝加热板对试块加热。为监测和控制锚固体的温度,在锚固体上沿与锚杆平行方向钻长80mm、∅8mm的测温孔,将温度传感器插入测温孔监测温度,将温度传感器和加热板连接温度控制器,控制锚固体的温度。锚杆上每隔80mm贴一处应变片,共设五处应变片。数据采集采用TDS-630数据采集仪收集应变片、荷重传感器和位移计的数据。通过扭矩扳手对锚杆施加相同的预应力。

图2 试验装置

1.5 试验方案

试验设置四个温度梯度分别是15℃、30℃、45℃、60℃。压力按侧压系数λ=1.2、1.5、1.8进行加载。为使水平压力和竖直压力能按侧压系数加载,压力机采用应力控制,加载速率为0.01MPa/s。试验加载步骤:首先对锚固体进行加温,待达到预定温度,稳定温度一段时间,确保整个锚固体温度一致。然后对锚固体进行水平和竖直方向加载。最后当锚固体发生严重破坏时加载停止。试验中为减少温度散失,加温时用保温材料罩着锚固体试块。在加载铁板上涂抹润滑油,以降低摩擦对试验结果的影响。

2 试验结果及分析

2.1 锚固体围岩变形破坏特征

不同侧压系数锚固体裂隙发育情况如图3所示。当侧压系数一定时,随着温度的升高锚固体的有着相似的破裂特征。锚固体破裂倾角对温度因素敏感性较低,对侧压系数敏感性较强。当λ=1.2时,水平和竖向的压力相差不大,竖向压力对锚固体的约束较大,锚固体破裂较难。锚固体破裂呈水平和竖向相交叉的破裂,以沿锚孔破裂为主。随着温度的升高,锚固剂对锚孔的支撑作用降低,锚固体的细裂增多,锚固体的破裂深度变大。经测量破裂深度大致为托盘直径的1.02~1.2倍,破裂倾斜角为45°~60°。当λ=1.5时由于同等水平压力对应的竖向压力较小,锚固体水平方向破坏程度加剧。温度的升高和侧压系数的增大,破裂深度增大至托盘直径的1.13~2.2倍,侧压系数的增大破裂倾斜角减小为40°~45°。当λ=1.8时破裂深度增大至托盘直径的1.15~2.4倍,破裂倾斜角减小为30°~35°。不同温度与侧压系数锚固体破坏深度如图4所示。

图3 不同侧压系数锚固体裂隙发育情况

图4 不同温度与侧压系数锚固体破裂深度

在不同温度梯度和不同侧压系数的压力作用下,锚固体临空面呈中间凹,四边凸,锚杆附近出现若干水平和竖直裂缝。锚固体破坏程度随着远离临空破裂面逐渐降低。锚固体的背面由于挡板约束,基本未破坏。移除破碎块体,锚杆压缩区在空间上呈向锚固体内部开口的喇叭形。

2.2 锚固体水平方向变形规律

由锚固体水平方向变形-荷载曲线可知锚固体出现压密阶段、线性变形阶段和破坏阶段。温度升高,锚固剂内部受热膨胀的影响,固化物的抗压强度降低[18-20]。如图5(a)所示,当λ=1.2时锚固体压密阶段,温度升高,锚固剂对锚孔的支撑作用减弱,水平方向锚固体变形增大。随着锚固体被压密,锚固剂对锚固体变形的影响逐渐减弱。锚固体的抗压强度受温度变化的影响较大,随着温度升高,锚固体的抗压强度增大,水平变形量增速减小[21]。30℃的锚固体水平变形量逐渐高于45℃和60℃。由于15℃对锚固剂的影响较小锚固剂对锚孔承载作用较大,15℃的水平变形量最小且保持较低增长率。如图5(b)所示,当λ=1.5时,相对于λ=1.2同等水平应力下竖向应力较小,竖向应力对锚固体的挤压减小,锚孔发生破坏的时间提前。压密阶段锚固体的水平变形增大。侧压系数增大,温度对锚固体变形破坏规律影响减弱。30℃高于45℃和60℃水平变形量的时间点后移。如图6(c)所示,当λ=1.8时,锚固体在压密阶段变形进一步增大。30℃的锚固体变形量未高于45℃和60℃。

图5 锚固体水平方向变形-荷载曲线

2.3 锚杆受力特征

在水平和竖直方向的压力作用下,锚杆和锚固体发生变形。拆除大面积破碎锚固体观察锚固体内部锚杆变形情况,锚固体内部锚固较为完整,锚杆发生弯曲变形,在锚杆弯曲处的锚固剂受锚杆变形影响脱落,如图6所示。

图6 λ=1.5,60℃的锚杆变形及应变片分布

图7 锚杆受力-时间曲线

由图6可知5号应变片位于孔口附近锥形破裂区内,4号位于第一道破裂裂纹附近,锚杆在4号应变片附近弯曲,3号应变片位于第一道裂纹和第二道裂纹之间,2号应变片位于第二道和第三道裂纹之间,1号应变片处在块体完整区域。在不同侧压系数的压力和温度作用下锚杆受力情况如下。如图7(a)所示,当λ=1.2时,水平和竖直压力相差不大,锚固体水平和竖直方向破裂情况基本相同,锚杆以受到锚固体水平方向的剪胀扩容变形产生的张拉应力为主,受力基本为正值。5号应变片处在破裂面附近,起始受拉临近锚固体严重破坏时锚杆受破碎块体压剪作用受力由正值转为负值。如图7(b、c)所示,当λ=1.5时,随着温度的增加,锚杆受力为负值的位置逐渐由5号应变片转至4号应变片。5号应变片受力减小。与临空面有一段间隔的块体受前面块体约束,水平膨胀受限,破碎块体对锚杆压、剪应力增大。3号和2号应变片受力较大。随着与临空面间隔增大,约束力变大,锚固体破裂变困难,受张拉和压剪应力降低,锚杆受力较小。1号应变片处在完整区域,受力较小。由外向里各应变片逐个达到受力峰值且有短暂时间的间隔,说明锚固体发生渐进式破坏。如图7(d)所示,当λ=1.8时,破裂深度的进一步加深,3号和2号应变片处的锚杆受力有所增长,位于4号和5号应变片处的锚杆受力减小。综上:锚杆在锚固体破碎块体作用下处在压、张、剪的复杂应力状态。锚杆以受张拉应力为主,当λ=1.2时锚固体以向临空面挤压膨胀为主,弯曲位置受压、剪应力较小。当λ=1.5、1.8时锚固破裂深度加深,锚杆弯曲位置受压、剪力增大。锚固体破坏方式为由外向里渐进式破坏。

3 工程应用

试验表明全长锚固体的锚杆整体受力均匀。在高地温环境及侧压系数影响下,锚固体围岩产生渐进式破坏,变形有序可控。因此可采用全长锚固代替端头锚固进行深部软岩巷道围岩支护。选取淮南丁集矿西三集中轨道大巷为工程背景,进行软岩巷道围岩支护参数优化设计。巷道为直墙半圆拱型,断面净宽×净高=5400mm×4300mm,采用工程类比法,类比相邻回风大巷采用锚网索支护形式。原支护方式围岩存在一定变形,支护效果欠佳。现计划将原设计中端头锚固优化为全长锚固形式,其中锚杆规格∅22mm×2500mm,间排距800mm×800mm,采用两根2560型+1根2850型树脂锚固剂支护;锚索规格∅22mm×6300mm,4-4布置,间排距1.0m×1.6m,选用2根2560型树脂锚固剂;喷浆厚度100mm。优化后的巷道支护设计参数如图8所示。

图8 优化后巷道支护参数设计方案(mm)

采用以上设计参数对西三轨道大巷进行支护,为检验优化方案和应用效果,在西三采区轨道大巷与相邻回风巷道端锚支护段中分别设置3个测站,对巷道围岩变形进行现场监测,监测结果表明轨道大巷断面的顶底板移近量为125mm,两帮收缩量为136mm,相对回风巷道围岩变形稳定。变形规律表明轨道大巷掘进后15d内,顶底板和两帮快速收敛,最大变形速率为3.5mm/d;随后,巷道变形变缓,最大变形速率为1.5mm/d;最后当距工作面迎头105m后,巷道围岩基本稳定。总体采用全长锚固优化支护方案可有效维护巷道围岩稳定,满足安全生产需要。

4 结 论

1)温压作用下锚固体临空面破坏特征呈中间凹,四边凸,锚固体的破坏程度,随着远离临空破裂面逐渐降低。锚杆压缩区在空间上呈向锚固体内部开口的喇叭形。锚固体的破裂方式呈由外向里渐进式破坏。

2)温压作用下锚固体破裂深度随温度升高和侧压系数的增大而增大,锚固体的破裂倾角随着侧压系数的增大而减小。当λ=1.2、1.5和1.8时锚固体的破裂深度分别为托盘直径的1.02~1.2倍、1.13~2.2倍和1.15~2.4倍,锚固体破裂倾角分别为45°~60°、40°~45°和30°~35°

3)温压作用下锚固体水平方向变形规律为在锚固体压密阶段,随着温度升高和侧压系数的增大,锚固体水平变形增大。随着侧压系数的增大,温度对锚固体变形破坏规律影响减弱。

4)温压作用下锚杆在破碎块体作用下处于压、张、剪的复杂应力状态,锚杆以受张拉应力为主,弯曲位置受碎块的压、剪应力作用,受力为负值。随着侧压系数的增大弯曲位置受压、剪应力增大,锚杆发生明显弯曲变形。将全长锚固支护工艺应用于西三轨道大巷围岩支护参数优化设计,并进行现场监测,反馈表明巷道围岩支护效果较好。

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