全长预应力锚注支护下深部巷道控制效果对比研究

王洪涛,高广龙,张红军,李建建,解学磊,赵万里

1.山东建筑大学土木工程学院,山东济南 250101;2.山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室,山东济南 250101;3.山东省地质科学研究院,山东济南 250013;4.山东安科矿山支护技术有限公司,山东济南 250033

煤炭资源在我国国民经济中占有举足轻重的地位,随着浅层煤炭资源开采趋于枯竭,深部开采已成为主流。然而,受深部复杂地质环境影响,如高地应力、强开挖卸荷、围岩破碎、开采扰动等,巷道围岩大变形破坏、支护失效等现象频发,支护返修频繁,是困扰矿井安全高效生产的重要难题之一。传统支护构件也面临着易破断失效、支护潜力难以充分发挥等问题[1],将传统预应力锚杆(索)与注浆加固相结合形成的锚注联合技术,可有效发挥传统锚固支护构件主动支护作用,还可通过注浆加固有效提升围岩自承载能力,是深部巷道围岩稳定控制的一种有效技术手段。

深部巷道围岩锚注支护机理一直是国内外学者研究的热点问题。郑雨天等[2]、翟英达[3]、郑西贵等[4]、王洪涛等[5]通过理论分析与数值模拟等方法,得到了不同预应力锚固支护参数与支护方式对围岩支护力学效应的影响规律。INDRARATNA等[6]、LI 等[7]、CAI 等[8]、OSGOUI 等[9]、BOBET等[10]基于弹塑性理论得到了锚杆-围岩相互作用下杆体受力分布特征。WANG 等[11]研究了不同注浆锚杆长度下浆液扩散性能的变化趋势、各种锚注参数对围岩和支护系统的影响规律。潘锐等[12]分析了注浆后岩体各种影响因素对锚固体界面抗剪能力的影响规律。王琦等[13]通过现场试验与数值模拟,分析了注浆锚杆长度和间排距对锚注加固效果的影响规律。张妹珠等[14]通过室内试验,分析了注浆、锚杆对大理岩破裂面的加固效果和作用机制。周波等[15]采用数值模拟和现场实验的方法,确定出合理的注浆钻孔参数和锚杆支护参数。康红普等[16]采用数值模拟方法,提出千米深井巷道松软煤帮高压锚注-喷浆协同控制理念。孟庆彬等[17]采用数值模拟方法,揭示了“锚注加固体等效层”各影响因素对巷道围岩位移及塑性区的影响规律。上述研究为巷道锚注支护机理提供良好的理论支撑。

在现有巷道支护技术中,常规锚注支护构件往往是用于补强加固的,且常规锚注构件本身强度较低,难以施加高预应力和发挥高强主动支护效果。针对该问题,笔者等前期[5,18]曾深入研究了不同锚固方式下围岩支护力学效应,提出了全长预应力锚注支护工艺,有效弥补了现有传统非全长锚杆锚固长度过长或过短带来的问题,以及常规锚注构件强度低、刚度低、难以施加预应力等问题。本文在此基础上,通过对FLAC3D软件中PILE 结构单元的修正,实现了全长预应力锚注支护的有效模拟,开展了不同因素影响下巷道围岩控制效果数值模拟对比研究,揭示了各因素影响规律及敏感性,并通过现场典型工程应用,验证了全长预应力锚注支护性能优势与控制效果。研究工作可为深部巷道锚固支护设计及施工提供一定参考。

1 全长预应力锚注支护技术工艺及数值模拟方法

1.1 全长预应力锚注支护工艺流程

目前,矿山巷道支护普遍采用的是预应力树脂锚杆。根据钻孔内树脂药卷锚固长度的大小,可将锚固方式分为端部锚固、加长锚固和全长锚固3 种。根据前期已有研究成果[5]可知,传统全长锚固因锚固长度过长,预应力在围岩中的扩散范围仅局限于锚杆托盘处,削弱了预应力在围岩中的挤压扩散效果,减弱围岩主动支护效果,造成锚杆杆体整体延伸率有限,易产生杆体破断。而端部锚固由于锚固长度较短,锚杆预应力在围岩中可以充分扩散,能改善预应力在围岩中扩散效果。但是,锚固长度过短又会降低锚杆锚固力,减弱锚杆杆体对围岩的黏结约束效应,易造成锚杆滑脱失效等问题[5]。

针对上述锚固长度过长或过短带来的弊端,笔者前期曾提出了基于后注浆的全长预应力锚注支护工艺[18]。其支护过程(图1)为:首先,围岩钻孔;其次,在钻孔内部利用树脂药卷或机械装置进行端部内锚固;第三,待内锚固段凝固后对锚杆杆体施加预应力,保证预应力在围岩中充分扩散;最后,通过注浆对外部自由段钻孔孔隙及围岩进行封闭充填,实现全长锚注支护效果。与传统非全长锚固方式相比,该工艺可保证预应力在围岩中的有效扩散,还可实现全长范围内杆体锚固,进一步增强锚杆支护构件对围岩的黏结约束,有效提高锚杆杆体横向抗剪切破断能力,以充分发挥锚杆支护潜力。此外,该工艺在后注浆充填阶段,注浆浆液还可有效封闭钻孔周围围岩裂隙,增强围岩自身强度与自承载能力。因此,对深部巷道而言,全长预应力锚注支护工艺是控制围岩变形破坏的一种有效支护方式。

图1 全长预应力锚注支护过程Fig.1 Full-length prestressed bolt-grouting support process

1.2 全长预应力锚注支护工艺在FLAC3D 软件中的模拟

在FLAC3D软件中,锚杆模拟方式主要是利用CABLE 单元与PILE 单元实现的,但这两种单元也各自存在一定弊端。CABLE 单元仅能模拟锚杆的轴向拉压特性,无法模拟锚杆杆体的横向抗弯剪能力。PILE 单元可以模拟锚杆杆体轴向拉压特性,还可模拟杆体的横向抗弯剪能力,但无法对锚杆施加预应力。参照王晓卿等[19]提出的传统非全长锚固锚杆模拟方法,本文在此基础上通过对向拉伸法实现了PILE 单元预应力的施加,并通过赋值不同锚固段灌浆体参数及围岩注浆强化区参数,提出了全长预应力锚注支护方式的模拟方法,如图2 所示。以 2.4 m 长锚杆为例,本文模拟方法流程如下:

图2 全长预应力锚注支护方式数值模拟方法流程Fig.2 Numerical simulation process of full-length prestressed bolt-grouting support

第一步,构建围岩模型网格,并在模型网格中通过分段方式构建AB、CD两段锚杆PILE 单元,如图2(a)所示。

第二步,固定模型网格,打开PILE 单元锚杆特性,将端头处CID1 单元锚固参数设置为极大来模拟锚杆托盘,将CID18 至CID24 单元之间灌浆体参数设置为内部锚固段参数,而CID2 至CID17 之间灌浆体参数则设置为0 以模拟外部自由端。

第三步,在B、C两端点处施加与锚杆预应力大小相等且方向相对的节点力,模拟模杆预紧张拉过程,运算至平衡,如图2(b)所示。

第四步,移除B、C处对向节点力,并设置锚杆CID25 单元以缝合锚杆,计算至平衡,使锚杆轴向拉力在杆体内部进行全长扩散,完成锚杆预应力施加模拟,如图2(c)所示。

第五步,释放围岩模型网格,将锚杆轴向预应力传递给围岩,使其在围岩中有效扩散。

第六步,将自由段范围内CID2 ～ CID17 单元与CID25 单元对应的灌浆体参数修改,赋值为外部充填锚固段参数,实现外锚固段模拟,如图2(d)所示。

第七步,将锚杆周围的模型围岩参数进行适当提高,以模拟后注浆工艺对围岩的强化作用。

为进一步说明上述模拟方法的有效性,现以直径4 m 的1/4 圆形巷道为例,设置4 根长2.4 m锚杆进行支护,布设间距为0.8 m。图3 为模拟得到的预应力分别为30 kN、60 kN、90 kN、120 kN、150 kN 时围岩内部产生的支护应力场(其中内锚固段长度为1 m)。图4 为模拟得到的内锚固段长度分别为0.6 m、1 m、1.4 m、1.8 m、2.2 m 时的围岩支护应力场(预应力为90 kN)。分析图3、图4 可以看出,当内锚固段长度一定时,围岩支护压应力区主要集中在外部锚固段范围内(相当于传统非全长锚固锚杆的自由段范围),而且随着预应力施加值增大,围岩支护应力值与支护压应力扩散范围也随之增大。同时,由于图3、图4 仅考虑锚杆支护应力作用,外部锚固段范围内锚杆杆体轴力值保持恒定,而内锚固段范围内锚杆轴力则呈现向钻孔底部不断衰减的趋势,这也说明了锚固段受力的非均匀特征。此外,当内部锚固段长度增大,外部锚固段(自由段)长度相应减小,锚杆在围岩中产生的支护压应力约束范围也呈现不断减小的趋势,这与文献[5]—[19]中数值模拟与理论分析结论是一致的,说明本文基于PILE 单元的模拟方法是可靠有效的。

图3 不同预应力下围岩支护应力场分布Fig.3 Stress field distribution corresponding to different prestress

图4 不同锚固长度下围岩支护应力场分布Fig.4 Stress field distribution corresponding to different anchorage lengths

2 全长预应力锚注支护下巷道围岩控制效果对比

基于全长预应力锚注支护数值模拟方法,为进一步研究不同锚注参数对巷道围岩变形破坏特征的影响规律,需进行全长预应力锚注支护下巷道围岩控制效果数值模拟对比研究。

2.1 模型构建及对比方案设计

以轴对称圆形巷道为例,根据其对称性构建了1/4 巷道数值计算模型(图5),以模拟巷道开挖及支护过程。

在数值模拟过程中,模型顶底及各侧面均施加法向位移约束。首先对模型进行初始地应力平衡,然后进行巷道开挖及全长预应力锚注支护。为获取更具有普遍意义的变化规律,将巷道围岩视为均质性材料,采用FLAC3D软件中Mohr-Coulomb 本构模型,并在巷道周边锚固支护区内设置一定范围注浆加固区,通过适当提高围岩强度参数,以反映全长锚注支护对围岩的注浆强化效果。同时,模型围岩忽略自重影响,仅在模型内部施加水平及竖向地应力场,研究不同地应力水平状态影响。

为研究不同全长预应力锚注支护参数影响,分别考虑地应力、原岩强度等级、支护构件长度、布设间距、注浆强化指数与预应力6 种因素,设计了数值模拟对比方案(表1),模拟分析了不同影响因素下的围岩变形破坏特征,以揭示全长预应力锚注支护控制效果。同时,在不同地应力、原岩强度等级、支护构件长度、布设间距对比方案中,分析了全长预应力锚注支护构件与传统预应力锚固锚杆的围岩控制效果。

表1 全长预应力锚注支护数值模拟对比方案Table 1 Comparison of numerical simulation of full-length prestressed bolt-grouting support

2.2 不同方案计算结果对比分析

2.2.1 不同地应力水平下围岩控制效果

在不同地应力对比方案中,分别考虑了无支护、常规预应力锚杆支护与全长预应力锚注支护3 种支护方式。图6、图7 为全长预应力锚注支护下的围岩总位移云图与塑性区分布图,图8、图9 为3 种支护方式下的巷道最大位移、塑性区半径随地应力水平的变化曲线。

图6 不同地应力水平下围岩总位移云图Fig.6 Total displacement cloud map of surrounding rock under different ground stress levels

图7 不同地应力水平下围岩塑性区半径Fig.7 Radius of plastic zone of surrounding rock under different ground stress levels

图8 不同地应力水平下巷道最大位移变化曲线Fig.8 The maximum displacement curve of roadway under different ground stress levels

图9 不同地应力水平下巷道塑性区半径变化曲线Fig.9 Variation curve of plastic zone radius of roadway under different ground stress levels

由图8、图9 可知,地应力水平对巷道围岩变形量及塑性区半径影响十分显著,地应力水平越高,围岩变形量与塑性区半径越大,变形破坏越严重。在无支护与常规支护条件下,随着地应力水平增加,巷道围岩最大位移量呈近似指数型趋势增加,围岩塑性区半径则呈近似线性趋势增加;而在全长预应力锚注支护条件下,巷道围岩最大变形量与塑性区半径则近似呈线性趋势增加,增幅较为缓慢,且均明显小于无支护、常规锚杆支护方案。比如,当地应力水平为5 ～25 MPa 时,全长预应力锚注支护方式下巷道围岩最大变形量为2.39～41.68 mm、塑性区半径为2.10～2.99 m,比常规锚杆支护分别降低78.54% ～ 91.69%、24.73% ～ 59.92%。由此可见,全长预应力锚注支护工艺在控制巷道变形与塑性区发展变化方面具有明显优势。

2.2.2 不同原岩强度等级下围岩控制效果

为考虑不同原岩强度等级影响,在数值模拟中以B3 方案对应围岩强度参数为基准,通过引入原岩强度等级对不同方案围岩强度参数进行了等比例折减或提高,具体见表2。图10、图11 为无支护、常规预应力锚杆支护与全长预应力锚注支护3种方式下,巷道围岩最大位移与塑性区半径随原岩强度等级变化曲线。

表2 不同原岩强度等级模拟方案Table 2 Simulation schemes of different original rock strength grades

图10 不同原岩强度等级下巷道最大位移变化曲线Fig 10 The maximum displacement curve of roadway under different original rock strength grades

图11 不同原岩强度等级下巷道塑性区半径变化曲线Fig.11 Variation curve of plastic zone radius of roadway under different original rock strength grades

从图10、图11 可知,在3 种支护方式下随原岩强度等级的增加,巷道围岩强度参数不断提高,相应的围岩最大变形量、塑性区半径均在原岩强度等级1.0 之前迅速降低,之后则缓慢降低。其中,原岩强度等级变化对无支护与常规锚杆支护方式下的围岩变形量、塑性区范围影响显著,对全长预应力锚注支护方式下影响最小,控制效果最明显。以原岩强度等级0.8 为例,无支护与常规支护方式下,围岩塑性区半径分别为12.13 m、9.96 m,而全长预应力锚注支护方式下,围岩塑性区半径为3.59 m,仅为无支护方式的29.6%,为常规锚杆支护的36.04%。

2.2.3 不同支护构件长度下围岩控制效果

在不同支护构件长度对比方案中,本文分别考虑了常规锚杆支护与全长预应力锚注支护两种方式,并绘制得到了巷道围岩最大位移、塑性区半径随支护构件长度的变化曲线,如图12 和图13 所示。

图12 不同支护构件长度下巷道最大位移变化曲线Fig.12 The maximum displacement curve of roadway under different support member lengths

图13 不同支护构件长度下巷道塑性区半径变化曲线Fig.13 Variation curve of plastic zone radius of roadway under different support member lengths

从图12、图13 可以看出,常规锚杆支护与全长预应力锚注支护方式下,支护构件长度对巷道围岩最大位移及塑性区范围变化影响较小,围岩最大位移、塑性区半径均呈现随支护构件长度增加而缓慢降低趋势。尤其对全长预应力锚注支护方式而言,由于后注浆作用有效提升围岩强度参数,其相应围岩变形量、塑性区半径仅为常规锚杆支护的15%与58%左右。

2.2.4 不同布设间距下围岩控制效果

图14 和图15 为常规锚杆支护与全长预应力锚注支护方式下,巷道围岩最大位移、塑性区半径随支护构件布设间距的变化曲线。由图14、图15可知,随支护构件布设间距增加,巷道围岩最大变形量、塑性区范围呈现缓慢增加趋势,但全长预应力锚注支护方式由于围岩考虑了注浆强化影响,布设间距对其影响更不敏感,且相应围岩变形量与塑性区半径明显较小。具体的,当布设间距为0.8 ～1.6 m 时,全长预应力锚注支护方式围岩最大变形量为16.41 ～ 18.69 mm,塑性区半径为2.59 ～2.82 m,比常规锚杆支护方案分别降低88.32% ～90.22% 与49.12% ～52.20%。

图14 不同布设间距下巷道最大位移变化曲线Fig.14 Maximum displacement curve of roadway under different spacing

图15 不同布设间距下塑性区半径变化曲线Fig.15 Radius variation curve of plastic zone under different layout spacing

2.2.5 不同注浆强化指数下围岩控制效果

针对全长预应力锚注支护方式,考虑围岩后注浆强化作用,模拟分析了不同注浆强化指数的影响。注浆强化指数反映了注浆加固对围岩强度参数的提高比例。首先设置注浆强化指数等于1 时的各围岩强度参数(表3 中E1 组),再分别按照1.25、1.5、1.75、2 的比例提高E1组的围岩强度参数为E2、E3、E4、E5 组,用以模拟不同注浆强化条件下的围岩控制效果,对应于表3 列出的相应围岩强度参数。图16 和图17 为巷道围岩最大位移、塑性区半径随注浆强化指数的变化曲线。

表3 不同注浆强化指数模拟方案Table 3 Different simulation schemes of grouting strengthening index

图16 不同注浆强化指数下巷道最大位移变化曲线Fig.16 Maximum displacement curve of roadway under different grouting strengthening indexes

图17 不同注浆强化指数下塑性区半径变化曲线Fig.17 Curve of plastic zone radius under different grouting strengthening indexes

由图16 和图17 可知,随着注浆强化指数提高,巷道围岩锚注支护区内围岩强度等级不断提高,相应的围岩最大位移与塑性区半径显著降低,但当注浆强化指数超过1.25 后,注浆强化指数对围岩最大位移与塑性区半径降低影响的趋于平缓。因此,全长预应力锚注支护方式中,在一定范围内注浆强化作用对控制巷道围岩变形与塑性区发展是有显著影响的,但也是存在一定限度的。

2.2.6 不同预应力下围岩控制效果

针对全长预应力锚注支护方式,模拟得到了不同支护构件预应力下巷道围岩最大位移、塑性区半径的变化曲线,如图18、图19 所示。可以看出,随支护构件初始预应力增大,巷道围岩最大位移和塑性区范围均呈现不断降低趋势。但由于预应力对围岩产生的支护应力值(表1)相对于地应力值(15 MPa)相差近3 个数量级,且全长预应力锚注支护方式考虑了注浆强化影响,因此预应力对围岩变形破坏影响不太显著。具体的,当预应力从0 变为120 kN 时,围岩最大位移从21 mm 减小到16 mm,降低幅度为23.62%,围岩塑性区半径从3.29 m 减小到2.59 m,降低幅度为21.03%。

图18 不同预应力下巷道最大位移变化曲线Fig.18 The maximum displacement curve of roadway under different prestress

图19 不同预应力下塑性区半径变化曲线Fig.19 Curve of plastic zone radius under different prestress

2.3 不同方案参数影响敏感性分析

综上分析可以看出,影响全长预应力锚注支护控制效果的因素众多,且影响程度也不一致。为进一步研究上述各因素对全长预应力锚注支护控制效果影响的敏感程度,分别以围岩最大位移与塑性区半径为目标变量,开展了不同参数影响敏感性分析。但应注意,在进行敏感性分析时,上述各方案参数取值范围与量纲单位均不相同,为消除该因素影响,建立了全长预应力锚注支护控制效果影响敏感性评价指标ξf:

式中,f为各影响因素中某一类因素;ξf反映了某一影响因素f对全长预应力锚注支护控制效果的影响敏感程度,其值越大,代表影响更敏感;Kfmax、Kfmin分别为某一影响因素f取值范围的上限与下限;Tfmax、Tfmin分别为影响因素f取值范围内对应的目标变量最大值与最小值。

根据式(1)可计算求得各影响因素对应围岩最大位移与塑性区半径影响的敏感性指标,如图20 所示。从图20 可以看出,原岩强度等级及注浆强化指数对应的围岩最大位移指标与塑性区指标均明显大于其他因素;地应力对最大位移指标影响较大;由于全长预应力锚注支护方式对围岩考虑了注浆强化影响,支护构件长度、布设间距及预应力相应指标计算值则普遍偏小。据此,可将影响全长预应力锚注支护围岩控制效果的因素分为3 个层级。

图20 影响因素敏感性指标柱状图Fig.20 Sensitivity index histogram of influencing factors

第一影响层级:围岩强度因素。原岩强度等级与注浆强化指数对应敏感性指标计算值,相比其他因素计算值明显增大,是影响围岩控制效果的内在关键因素。

第二影响层级:地应力因素。地应力因素敏感性指标计算值介于中间,是影响围岩控制效果的外在关键因素。

第三影响层级:锚注支护构件设计因素。支护构件长度、布设间距与预应力敏感性指标计算值均较小,影响较不敏感,受支护方式、支护成本与施工质量等因素影响。

3 工程应用

3.1 工程措施建议

根据上述模拟分析结果可以看出,全长预应力锚注支护相较于常规锚杆支护,在围岩变形破坏控制方面具有明显优势。同时,结合影响巷道围岩控制效果的各层级因素敏感性,为实现深部巷道围岩最优控制,提出如下工程措施建议,以指导工程设计与施工。

(1) 基于围岩强度因素是影响巷道支护控制效果的第一影响层级因素,当现场巷道所处岩层较软弱或是开挖后围岩较松散破碎时,应重视注浆加固对围岩的改性提升作用,并将其作为控制围岩变形破坏的首选控制技术。同时,围岩通过注浆改性提高后,会进一步增加预应力锚注支护构件的可锚性,使其与围岩形成有效协同承载结构,共同抵抗围岩变形破坏。

(2) 基于地应力是影响巷道支护控制效果的第二影响层级因素,在现场巷道布置时,应尽可能避开高应力区域或受动压影响区域。当巷道所处围岩应力环境较高时,可通过设置泄压槽、泄压切缝等泄压方式,以释放或转移围岩高应力影响,提升巷道围岩控制效果。

(3) 基于锚注支护构件设计因素是影响巷道支护控制效果的第三影响层级因素,当现场巷道所处地层围岩条件与地应力环境一定时,应在保证一定巷道支护成本的前提下,尽可能优化和改善全长预应力锚注支护参数,以充分发挥锚注支护构件支护潜力,提升围岩控制效果。可通过以下方式实现:①采用高强、高韧性支护构件,提高巷道整体支护强度;②提升锚注支护构件预应力,充分发挥其对围岩的主动支护作用;③适当增长支护构件长度或缩小布设间距,但从经济角度分析,布设间距不宜过小,支护构件长度也不宜过长;④当现场围岩软弱破碎时,应优化改善锚固方式,尽可能选用全长锚固,以增强支护体系刚度与可靠性。

3.2 工程应用实例

3.2.1 工程概况

平顶山煤田是华中地区的特大型煤田,平顶山十矿位于平顶山市区东部,设计生产能力2.9 Mt/a,原煤可采储量150 Mt。十矿中区戊组轨道下山巷道始建于20 世纪70 年代,原始设计断面采用直墙拱形,断面面积14.4 m2,长度970 m,上下车场高差近200 m,原设计采用锚网支护。该巷道属于典型穿层巷道,穿越地层条件较为软弱复杂,顶板底板为砂质泥岩,两帮自上而下为细粒砂岩、砂质泥岩、煤层、泥岩。该巷道历经多次复修,巷道断面由半圆拱形变形为尖顶形状,表现为顶板严重下沉、两帮整体向巷道内侧移动,围岩变形破坏非常严重。在该巷道最近几次修复时,主要依赖U36 型钢支架进行支护,现场扩修后断面与原设计断面相比,局部围岩变形量已超过1.7 m。图21 为现场巷道典型断面修复前的围岩松动破坏探测结果。可以看出,现场巷道周边探测钻孔10 m 范围内围岩均产生了不同程度的开裂破坏,可依次划分为严重破坏区、中等破坏区与轻微破坏区3 个区域,其中严重破坏区范围局部超过5.1 m,超出传统锚杆、锚索设计长度。

图21 现场巷道围岩松动破坏范围探测结果Fig.21 Detection results of loose failure range of roadway surrounding rock

结合中区戊组轨道下山巷道所处地层条件与围岩变形破坏探测结果,可将现场巷道产生大变形破坏原因归纳如下:地层岩性差且松散破碎,造成围岩自承能力低;巷道历经多次循环开采扰动效应影响,造成围岩扰动破坏显著;目前支护方式主要依赖U 型钢支架,且由于围岩松散破碎,支护构件主动支护效果不足,难以形成有效的锚固协同承载结构。

3.2.2 高强全长预应力锚注技术研发及现场应用

为解决十矿中区戊组轨道下山巷道的现场围岩控制难题,基于后注浆工艺的组合式高强注浆锚杆与高强中空注浆锚索支护技术(图22),设计了高强全长预应力锚注支护扩修方案,如图23 所示。其中,高强组合式注浆锚杆长度2.5 m,由高强螺纹钢实心锚杆段(直径22 mm,破断力超过300 kN)与高强中空注浆段(外径30 mm,壁厚8 mm,破断力250 ～300 kN)通过高强连接套相连。高强中空注浆锚索分别采用直径22 mm 与29 mm 两种型号,长度7.3 m,破断力分别超过400 kN 与500 kN,索体中心位置均设有内径8 mm 注浆管。现场安装两种类型高强锚注支护构件时,均首先需在钻孔内利用树脂药卷进行端部锚固,然后进行预应力施加,最后进行注浆充填外部自由段钻孔与周边围岩裂隙。

图22 组合式高强注浆锚杆与高强中空注浆锚索Fig.22 Combined high-strength grouting bolt and high-strength hollow grouting anchor cable

图23 全长预应力锚注支护扩修方案下巷道断面设计Fig.23 Design of roadway section under full-length prestressed bolt-grouting support expansion scheme

现场巷道扩修后断面为直墙半圆拱形,宽度5 100 mm,高度3 800 mm。图24 为现场巷道高强全长预应力锚注扩修支护的施工工艺流程。现场施工时,待扩修至合格断面后,首先采用左旋高强树脂锚杆和组合式高强注浆锚杆进行初期支护,并初喷混凝土封闭围岩表面裂隙;其次,采用高强中空注浆锚索沿巷道顶帮进行强化支护,并实施2 次喷浆和注浆加固;最后,施打底板组合式高强注浆锚杆和高强中空注浆锚索,并进行底板注浆加固。

图24 高强全长预应力锚注扩修支护施工工艺Fig.24 Construction technology of high-strength fulllength prestressed anchor grouting expansion support

图25 为现场巷道扩修后典型断面的围岩表面收敛监测结果。可以看出,现场巷道扩修后0 ～19 d围岩收敛变形速率较大,随后趋于稳定,70 d 时顶板最大下沉量为56 mm,帮部最大变形量为33 mm,底板最大变形量为39 mm,现场围岩变形破坏得到了有效控制。同时,现场试验段内高强锚注支护构件受力监测数据显示,围岩变形稳定后组合式高强注浆锚杆最大受力为122 kN,高强中空注浆锚索最大受力为256 kN,锚注构件的支护潜力得到了有效发挥。

图25 典型巷道断面表面收敛监测结果Fig.25 Typical roadway section surface convergence monitoring results

图26 为采用高强预应力锚注扩修支护方案后的巷道现场。可见,现场巷道扩修后成巷效果良好,喷层基本完好,未出现明显开裂破损现象。因此,与现场采用U 型钢拱架支护相比,新型高强锚注支护技术可有效解决现场巷道围岩变形破坏的稳定控制难题。

图26 现场巷道扩修后治理效果Fig.26 Treatment effect after roadway expansion

4 结 论

(1) 基于提出的全长预应力锚注支护工艺,在FLAC3D软件中通过对向拉伸法实现了PILE 单元预应力施加,并通过赋值PILE 单元内、外锚固段灌浆体参数及围岩注浆强化区参数,实现了全长预应力锚注支护的有效模拟。

(2) 考虑地应力、原岩强度等级系数、支护构件长度、布设间距、注浆强化指数与预应力6 种因素,设计系列对比方案,开展了巷道围岩控制效果数值模拟对比研究,揭示了各类因素对围岩变形量、塑性区演化影响规律与各因素影响敏感性,将影响全长预应力锚注支护控制效果因素依次划分为围岩强度、地应力、锚注支护构件设计3 个层级。

(3) 给出了全长预应力锚注支护工程措施建议,研发了具有强度高、可施加预应力等优势的组合式高强注浆锚杆与高强中空注浆锚索。以典型软弱破碎地层巷道为工程依托,进行了全长预应力锚注支护扩修应用。新型高强全长预应力锚注支护技术可有效增强软弱破碎围岩自承载能力,充分发挥锚固构件的支护潜力,限制巷道围岩变形破坏。