千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 黧 移动阅读 姜鹏飞，康红普，王志根，等．千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 3 1 0 2 0 1 0 3 5 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j e c s ．S J 2 0 ．0 2 3 6 J I A N GP e n g f e i ，K A N GH o n g p u ，W A N GZ h i g e n ，e ta 1 ．P r i n c i p l e ，t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fs o f tr o c kr o a d w a ys t r a t a c o n t r o lb ym e a n so f “r o c kb o l t i n g 。U - s h a p e dy i e l d i n gs t e e la r c h e sa n db a c kf i l l i n g ’’i ns y n e r g yi n10 0 0m d e e pc o a l m i n e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 3 1 0 2 0 1 0 3 5 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C O S ．S J 2 0 ．0 2 3 6 千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、 技术及应用 姜鹏飞1 ’2 ⋯，康红普1 ’2 ⋯，王志根4 ，刘庆波4 ，杨建威1 ’2 ⋯，高富强1 ’2 ⋯，汪向明4 ， 张群涛1 ’2 ⋯，郑仰发1 ’2 ⋯，王海涛5 1 ．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．煤炭资源高效开采与洁净利 用国家重点实验室，北京1 0 0 0 1 3 ；4 ．中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南2 3 2 1 7 0 ；5 ．中煤新集能源股份有限公司口孜东矿，安徽阜阳 2 3 6 1 5 3 摘要针对煤矿千米深井高应力、软岩大巷围岩强时效大变形难题，以中煤新集口孜东矿软岩大 巷为工程背景，根据井下实测数据与支护状况，分析了不同支护方式下巷道围岩大变形、支护构件 破坏与失效特征。采用理论计算得出U 型钢支架在均布载荷和不同类型集中载荷作用下的垂直 反力、水平推力及弯矩，揭示了充填体对提高u 型钢支架发挥其承载能力的作用机制；采用数值模 拟分析对比了锚网喷、锚网喷 钢管混凝土及锚架充3 种支护方式控制围岩变形与破坏的效果，阐 明了千米深井软岩大巷锚架充协同控制原理。在引进与自主研发的基础上，形成了包括支护材料 与构件、充填材料与系统、自动架棚机、单轨吊巷道锚杆支护平台的锚架充协同控制技术。基于上 述研究成果，提出口孜东矿软岩大巷锚架充协同控制方案与参数，并进行了井下试验与推广应用。 结果表明，锚架充协同控制技术能够有效控制千米深井软岩大巷围岩大变形，特别是强流变，保持 巷道长期稳定。与原支护相比，巷道变形量降低9 0 ％以上，同时节约了巷道维护成本，为千米深井 软岩大巷围岩控制提供了一条有效的途径。最后，对锚架充协同控制技术下一步研究工作进行了 展望。 关键词千米深井；软岩大巷；锚杆支护；U 型钢支架；架后充填；协同控制 中图分类号T D 3 5 2 ．5文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 3 - 1 0 2 0 - 1 6 P r i n c i p l e ，t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fs o f tr o c kr o a d w a ys t r a t ac o n t r o lb y m e a n so f “r o c kb o l t i n g ，U - s h a p e dy i e l d i n gs t e e la r c h e sa n d b a c kf i l l i n g ”。 s y n e r g yi n10 0 0d e e pcoalbackt i l l i n g i ns y n em d e e pc o a lm i 。n e s lU U U J I A N GP e n g f e i ‘’2 ”，K A N GH o n g p u l ’2 ⋯，W A N GZ h i g e n 4 ，L I UQ i n g b 0 4 ，Y A N GJ i a n w e i lt 2 ”， G A OF u q i a n 9 1 2 ⋯，W A N GX i a n g m i n 9 4 ，Z H A N GQ u n t a o ‘ 2 r ，Z H E N GY a n g f a l 2 ”，W A N GH a i t a 0 5 I ．C o a lM i n i n ga n dD e s 劬i n gD e p a r t m e n t ，T i a n d iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ．C o a lM i n i n ga n dD e s i g n i n gB r a n c h ，C h i n a C o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e q i 鸣 1 0 0 0 1 3 ．C h i n a ；3 ．S t a t e №yL a b o r a t o r yo fC o a lM i n i n ga n dC l e a nU t i l i z a t i o n ，B e i f i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h ／n a ；4 ．x i , 西iE n e r g y c o ．，L t d ．，C h i n aN a t i o n a lC o a lG r o u pC o r p ．，H n a i n a n2 3 2 1 7 0 ，C h i n a ；5 ．K o u z i d o n gM i n e ，X i n j iE n e r g yC o ．，L t d ．，C h i n aN a t i o n a lC o a lG r o u pC o r p ．，F u y - a n g2 3 6 1 5 3 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h ed i f f i c u l tp r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht h et i m e s e n s i t i v el a r g ed e f o r m a t i o no ft h eh i g hs t r e s ss o f t 收稿日期2 0 2 0 0 1 - 2 1修回日期2 0 2 0 - 0 3 - 0 7责任编辑郭晓炜 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 3 ；中国煤炭科工集团科技创新基金国际合作资助项目 2 0 1 8 G H 0 0 1 ；国家自然科学 基金青年基金资助项目 5 1 7 0 4 1 6 0 作者简介姜鹏飞 1 9 8 4 一 ，男，四川三台人，副研究员，硕士。E m a i l j i a n g p e n g f e i t d k c s j ．c o r n 万方数据 第3 期姜鹏飞等千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用 1 0 2 1 r o c kr o a d w a y si nt h e10 0 0mo rm o r ed e e pc o a lm i n e s ，a c c o r d i n gt ot h eu n d e r g r o u n dm o n i t o r i n gd a t aa n ds u p p o r t s t a t e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g es t r a t ad e f o r m a t i o n ，b o l t i n gc o m p o n e n td a m a g ea n df a i l u r eu n d e rd i f f e r e n tm e t h o d so f s u p p o r t sw e r eo b t a i n e dt h r o u g hu n d e r g r o u n ds u r v e ya n da n a l y s i so nt h es o f tr o c kr o a d w a yi nt h eK o u z i d o n gc o a lm i n e ， C h i n a ．T h ev e r t i c a lr e a c t i o nf o r c e ，h o r i z o n t a lt h r u s ta n db e n d i n gm o m e n to ft h eU - s h a p e ds t e e la r c h e su n d e ru n i f o r m l y d i s t r i b u t e dl o a d sa n dd i f f e r e n tt y p e so fc o n c e n t r a t e dl o a d sb e a r i n gc o n d i t i o n sw e r eg a i n e db yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ， w h i c hr e v e a l e dt h ee n h a n c i n gf u n c t i o nm e c h a n i s mo ft h ef i l l i n go nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h eU s h a p e dy i e l d i n gs t e e l a r c h e s ．T h ee f f e c t so ft h r e es u p p o r tp a t t e r n sf o rc o n t r o l l i n gt h es u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o na n df a i l u r e ，w h i c hw e r e t h es u p p o r tb yr o c kb o l t - m e s h - s h o t c r e t e ，t h es u p p o r tb yr o c kb o l t m e s h - s h o t c r e t ec o m b i n e dw i t hs t e e lt u b sf i l l e dw i t h c o n c r e t ea n dt h es u p p o r tb yr o c kb o l t i n g ，U s h a p e dy i e l d i n gs t e e la r c h e sa n db a c kf i l l i n gi ns y n e r g y ，w e r ec o m p a r e d t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h ep r i n c i p l eo ft h es o f tr o c kr o a d w a yc o n t r o lb yr o c kb o l t i n g ，U - s h a p e dy i e l d i n g s t e e la r c h e sa n db a c kf i l l i n gi ns y n e r g yi n10 0 0mo rm o r ed e e pc o a lm i n e sw a si l l u s t r a t e d ．O nt h eb a s i so fi n t r o d u c - t i o nf r o ma b r o a da n di n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，t h er o a d w a yc o n t r o lt e c h n o l o g yb ym e a n so fr o c kb o l t i n g ， U s h a p e dy i e l d i n gs t e e la r c h e sa n db a c kf i l l i n gi ns y n e r g yi n c l u d i n gs u p p o r tm a t e r i a l sa n dc o m p o n e n t s ，f i l l i n gm a t e r i a l s a n ds y s t e m ，a u t o m a t i cU - s h a p e dy i e l d i n gs t e e la r c hi n s t a l l a t i o nm a c h i n ea n dt h em o n o r a i lr o a d w a yb o l t i n go p e r a t i o n p l a t f o r mw a sd e v e l o p e d ．B a s e do nt h ea c h i e v e m e n t sm e n t i o n e da b o v e ，t h er o c kc o n t r o lp a t t e r na n dp a r a m e t e r sw e r ep u t f o r w a r dw i t hr o c kb o l t i n g ，U s h a p e dy i e l d i n gs t e e la r c h e sa n db a c kf i l l i n gi ns y n e r g yf o rt h ee x p e r i m e n t a lr o a d w a yi n K o u z i d o n gc o a lm i n e ，a n dt h ef i e l de x p e r i m e n ta n dm o n i t o r i n gw e r ec o n d u c t e d ．T h em o n i t o r i n gd a t as h o wt h a tt h er o a d w a yc o n t r o lt e c h n o l o g yb ym e a n so fr o c kb o l t i n g ，U s h a p e dy i e l d i n gs t e e la r c h e sa n db a c kf i l l i n gi ns y n e r g yc o u l de f - f e c t i v e l yc o n t r o lt h el a r g er o a d w a yd e f o r m a t i o ni nt h e 10 0 0mo rm o r ed e e pc o a lm i n e s ，e s p e c i a l l yt h et i m e s e n s i t i v e d e f o r m a t i o n ，w h i c hm a d et h er o a d w a ym a i n t a i ns t a b l ef o ral o n gt i m e ．C o m p a r e dw i t ht h ee f f e c to fo r i g i n a ls u p p o r t ，t h e r o a d w a yd e f o r m a t i o nd e c r e a s e db ym o r et h a n9 0 ％a n dt h ec o s tf o rt h er o a d w a ym a i n t e n a n c ew e r er e d u c e ds i m u h a n e - o u s l y ，w h i c hp r o v i d e da ne f f e c t i v em e a s u r ef o rt h es o f tr o c kr o a d w a yc o n t r o li n1 0 0 0mo rm o r ed e e pc o a lm i n e s ． K e yw o r d s 10 0 0mo rm o r ed e e pm i n e ；s o f tr o c kr o a d w a y ；r o c kb o l t i n g ；U s h a p e ds t e e la r c h e s ；b a c kf i l l i n g ；c o n t r o li n s y n e r g y 巷道支护形式由围岩所处地质力学环境与生产 条件确定，国外美国、澳大利亚多露天开采，井工开采 煤层埋深浅，以锚杆支护为主；国内主要有锚杆支护、 型钢支护、钢管混凝土支护等多种支护技术。3J 。现 有支护技术解决了中浅部及岩层赋存稳定、条件较好 的深部巷道支护问题，锚杆支护、注浆、工字钢或U 型钢支架等两种或多种联合支护技术解决了部分深 部巷道支护问题，但仍有很多深部巷道出现大变形， 需要多次返修。 围绕深部巷道围岩控制，近年来很多学者开展了 大量研究，康红普等提出了煤矿巷道高预应力锚杆一 次支护理论⋯，研发了高压劈裂注浆改性技术，针对 强烈动压巷道开发了水力压裂卸压技术MJ ，提出了 千米深井高应力强采动回采巷道高预应力锚杆主动 支护一注浆主动改性一水力压裂主动卸压“三主动”协 同控制理念和方法【5J 。马念杰等∞1 提出了巷道蝶形 塑性区及恶性扩展理论和深部大变形控制理论。张 农等【_ 列针对深部高应力工作面回采巷道，提出了采 用锚杆 锚索梁初始支护、锚索梁 注浆超前加固、工 字钢梁 铰接顶梁辅助支护、膏体材料泵送充填构筑 墙体的沿空留巷控制技术，并在朱集东矿开展了井下 应用。刘泉声等旧1 提出深部岩巷围岩稳定受高地应 力、高渗透压力和温度梯度影响，应采用倾斜锚固、高 初锚力的超高强锚杆支护、注浆固结、能量释放等控 制方法。靖洪文等p 1 基于模糊灰色系统提出了深部 巷道围岩变形预测模型。柏建彪等叫认为深部巷道 围岩控制的基本方法是提高围岩强度、转移围岩高应 力以及采用合理的支护技术。勾攀峰等⋯o 建立了煤 巷锚杆支护围岩稳定判别准则，提出了基于强力支护 原理的深井巷道锚杆锚索协调支护技术。王连国 等2 1 提出了深部软岩巷道深一浅耦合全断面锚杆一注 浆支护方法。姜耀东等u 纠通过研究高强度高预紧力 锚杆、强力锚索、金属网和喷浆加固以及u 型钢支架 在控制围岩变形中的互补作用，提出了互补控制综合 支护方案。李术才等4 1 提出了u 钢约束混凝 土 S Q C C 新型支护体系。高延法等∞1 提出了高应 力及软岩大变形巷道钢管混凝土支护方法。 中煤新集口孜东矿是我国典型的千米深井，开采 深度10 0 0m ；基岩薄，松散层厚度5 9 1 ．6m ；主采1 3 - 1 煤层，平均厚度4 ．9m ，顶底板以泥岩为主，单轴抗压强 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 度2 1 ．3 - 4 3 ．7M P a ，遇空气极易风化。针对口孜东矿 千米深井软岩大巷，开展了多种支护技术试验锚网喷 支护、锚网喷 3 6 U 型钢支架、锚网喷 注浆二次支护、 锚网喷 3 6 U 型钢支架 反底拱棚及钢管混凝土全断面 支护等，均无法有效控制巷道围岩大变形，最长稳定期 为2 a 。巷道“前掘后修”、“边掘边修”、“多次返修”等 现象屡屡发生，巷道支护极其困难，严重制约和影响矿 井的安全生产’1 川。据统计，井下9 0 ％巷道至少经过一 次修复，部分巷道经过多次修复。 为此，笔者在口孜东矿前期工程实践的基础上， 在国家重点研发计划项目“煤矿千米深井围岩控制 及智能开采技术”的资助下，以中煤新集口孜东矿为 示范矿井，针对千米深井软岩大巷开展了锚架充协同 控制理论与技术的研究及应用。 1 千米深井软岩大巷失稳破坏特征 1 ．1 软岩大巷围岩大变形特征 地应力是巷道围岩变形的根本驱动力6 ‘1 7 』，围 岩自身物理力学特性是影响巷道变形的重要因素，对 口孜东矿千米深井软岩大巷围岩进行了地应力及岩 石力学参数的测试与分析。口孜东矿1 3 一l 煤层顶 板3 7 ．1m 范围主要为泥岩或砂质泥岩。现场地应力 测量结果表明，巷道围岩最大水平主应力 2 1 ．8 4M P a ，最小水平主应力1 1 ．4 2M P a ，垂直应力 2 5 ．1 2M P a 。矿物成分分析试验表明，1 3 一l 煤层及顶 底板岩层中黏土矿物占煤质除外矿物总含量的6 0 ％ 左右。 井下实测分析了千米深井软岩大巷围岩大变形 特征，如图l 所示。从巷道顶板变形来看，由于顶板 泥岩强度较低，巷道开挖泥岩风化的影响，围岩裂隙 逐渐由浅部向深部扩展，形成了大范围松软破碎区， 巷道围岩快速变形，金属网凸起，形成大挠度鼓包；部 分位置出现顶板整体下沉，变形剧烈，且具有强烈的 时间效应，2 ～3 月后下沉量达到6 0 0I l l I l l ，且持续变 形，严重影响巷道正常使用。巷道两帮变形主要有2 个特点①从巷道肩角处至底板1m 左右出现明显 的剪切破坏裂缝，这是由于巷帮修复时，二次补强支 护与初次支护喷射混凝土之问的夹层黏聚力小，无法 形成整体结构，支护刚度低，从而出现大范围脱落、滑 移，形成明显的剪切裂缝；②受高应力和巷道掘进扰 动影响，巷道距底板0 ．5m 处帮部出现台阶式鼓出， 鼓出量高达1 ．2m ，支护体出现整体外移而失效。巷 道底板变形表现为结构性流变，持续底臌，井下实测 底臌量达到1 ．5m ，约占巷道顶底板移近总量的 8 0 ％，造成底板钢轨破断失效，累计底臌量达到5n 、， 相当于整个巷道净高，控制难度大。强烈底臌和两帮 移近是千米深井软岩大巷的主要矿压显现特征。 b 巷帮变形 } j 一1 5 0 0 l ’ ，。泽- 卜覃 C 底板变形 图I千米深井软岩大巷变形情况 F i g ．I D e f i r m a t i o no fs o f tr o c kr o a d w a yi nl0 0 0 【n d e e pc o a lm i n e s 巷道围岩整体变形表现出明显的非对称性和强 时效性。如图2 所示，巷道左半部约为右半部变形量 的2 倍，围岩整体呈现左帮及左肩向右肩偏转、扭曲、 歪斜的非对称大变形特征。巷道产生非对称大变形 主要有3 个因素①地应力方向与巷道布置方位成 一定的角度，巷道受力不对称；②围岩强度不对称， 由于岩层存在6 。的倾角，巷道破顶掘进，不同层位岩 层的强度有较大差异；③围岩结构不对称，节理、裂 隙等不连续结构面分布不均匀，裂纹扩展、贯通速率 及范围不一致。巷道围岩整体呈现强时效、结构大变 形特征。巷道开挖后稳定时间较长，持续变形，支护 图2巷道非对称大变形特征 F i g ．2A s y m m e t r i cl a r g ed e f o r m a t i o nc h a r a ’t e r i s t i c so fr o a d w a y 万方数据 第3 期姜鹏色等千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用 2 ～3 月后，巷道变形速率明显加快，且出现顶、帮和 底整体外移、变形，巷道长期无法稳定，表现为强时效 大变形，断面收缩率超过7 0 ％。 1 ．2 巷道支护体失效破坏特征 如前所述，口孜东矿千米深井软岩大巷采用了锚 网喷支护、锚网喷 3 6 U 型钢支架、锚网喷 钢管混凝 土全断面支护等多种支护技术，均未有效控制大巷围 岩的大变形，出现了大量支护体破坏或失效，包括混 凝土喷层滑落，锚杆、锚索破断，u 型支架撕裂，钢管 混凝土折断等现象，不同支护技术的支护体破坏呈现 以下特征 1 5 孜东矿锚网喷支护技术应用后，局部巷道表面 的混凝土喷层出现明显的裂缝，表层劈裂剥落，如图 3 a 所示，混凝土喷层剥落主要出现在巷道与硐室 的交叉处，由于喷射混凝土施工时喷层厚度不均匀、 混凝土材料抗变形能力差，当巷道出现变形时混凝土 喷层局部应力集中，较小的变形就容易出现破坏。锚 杆锚索支护体失效情况如图3 b 所示，在千米深井 高应力和锚杆受拉、剪、扭、弯及冲击等复合载荷叠加 作用下，锚杆锚索破断、托盘锁具脱落、钢筋托梁断 裂、钢带撕裂及金属网鼓包，部分锚杆、锚索失效后围 岩整体鼓出。 a 混凝土喷层劈裂剥落 b 锚杆 索 支护体失效 图3锚网喷支护体破坏与失效情况 F i g ．3D a m a g ea n t if a i l u z l eo fb o l t i n ge o m p o l l e n t sS U l p Or ’t e d b yr o c kb o l t - l l l e S h - s h o t e r e t e 锚网喷 3 6 U 型钢支架支护技术应用后，巷道顶 板u 型钢支架破断特征如图4 a 所示，u 型钢支架 拱顶出现扭曲变形，中间段支架剪断，支架构件及架 问连接梁也出现大范围断裂、扭曲现象，巷道肩角处 出现弯折变形，失效特征也表现为明显的非对称性， 主要有两方面的原因①巷道地应力与巷道布置方 位有一定夹角，u 型钢支架容易出现局部应力集中而 被折断；②u 型钢支架无法紧贴巷道围岩表面，导致 巷道围岩变形后u 型支架局部被动承载，U 型钢支 架受力极不均匀；③U 型钢支架和架后喷射的混凝 土黏结成一个整体，支架的可缩性构件被混凝土固 定，失去了自身的可缩性能，抵抗变形能力变差，无法 承受千米深井高地应力作用，易折断导致整体失去承 载能力而失效。在距离底板0 ．5n l 处的u 型钢支架 出现明显的“z ”形弯曲变形，如图4 b 所示，中部鼓 出量约为1 ．2I n ，支架因扭曲变形，承载能力大幅降 低，在底角易出现滑移导致整个支架失稳而失效。其 原因为支架和架后的喷射混凝土没有充分接触，二者 变形不协调，大大削弱支护的作用，巷道围岩大变形 后将支架挤出，导致支架弯曲、折断，各个击破，未能 有效发挥二者协调控制围岩变形的作用。 a 顶板U 型钢支架折断 b 巷帮U 型钢支架变形 【冬14 锚网喷 3 6 U 型钢支架支护体破坏与失效情况 F i g ．4 D a m a g ea n df a i M l eo fI o l t i n ge O l l l p O I l e n t ss u p p o r t e db y r o c kb o h m e s h s h o t c r e t e ‘ , m b i n e , 1w i t ht y p e3 6 U - s h a p e ds t e e la r c h e s 钢管混凝土支护呵在巷道顶板、底板和两帮形成 一个高强度的承压环 ㈨叫9 I ，通过全断面高强度支护 整体抵抗千米深井的高应力，钢管混凝土支护属于典 型的刚性支护，当高地压和巷道变形超过其承载能力 和允许变形后将发生断裂或失效。钢管混凝土支护 应用后，前期支护效果较好，但la 后钢管混凝土支 万方数据 1 0 2 4 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 护结构破坏 图5 。巷道肩窝下方0 ．5H I 处巷帮局 部出现钢管混凝土“V ”形弯折变形。巷道底板中间 位置部分钢管混凝土被折断，呈倒“V ”形。主要原因 为巷道埋深大、地压高，受钢管混凝土刚性约束影响， 前期能够抑制巷道的初期变形，但受深部高应力作用 围岩持续变形，当围岩变形超过了钢管混凝土允许变 形量，底板钢管混凝土则折断或失效。 a 巷帮钢管混凝土变形 b 底板钢管混凝土折断 网5钢管混凝土支护体破坏情况 F i g ．5D a m a g ea n df a i l u r et J fs u p p 0 1 11 I } d i e ss u p p o l ’r e b ys t e e lt u l sf i l l e dw i t h ’o n ’1 1 e t e 2千米深井软岩大巷锚架充协同控制原理 2 ．1 千米深井软岩大巷锚架充协同控制理念 深部软岩巷道开挖后在围岩中形成一定范围的 塑性破坏区，塑性破坏区内裂隙发育，围岩自承能力 差，岩体强度将下降到残余强度，尤其是在千米深井 软岩巷道中，受高地应力作用围岩塑性区范围大，锚 杆锚固区大部分、甚至全部处于塑性破坏范围内，普 通锚网喷支护难以维持巷道围岩的稳定。1 ”t 3 。。为此 提出采用高预应力强力锚杆进行初期支护，u 型钢可 缩性支架加强支护，但由于巷道断面形状与u 型钢 支架断面形状不完全一致，无法实现协同控制，为充 分发挥其支护效果，在巷道围岩表面和u 型支架之 间进行充填，一方面起到传递支架支护力的作用，即 使u 型钢支架受力均匀，充分发挥金属支架的支护 效果，另一方面对锚杆锚索支护形成的锚固体进行强 化，封闭围岩表面裂隙，阻止围岩风化，利用充填体自 身强度加固岩体，进而使高预应力锚杆、u 型钢支架、 充填体三者协同作用，保持巷道围岩的稳定。 2 ．2 千米深井软岩大巷锚杆控制原理及承载特性 为深入分析锚架充协同原理，分别就锚杆支护、 u 型钢支架支护和锚架充协同围岩控制原理进行了 分析。 锚杆支护是锚架充协同控制首要环节，研究发现 高预应力锚杆及时主动支护可降低围岩的应力梯度、 差应力及集中系数，改善围岩受力状态P 4 ，利于形成 压力拱。对于千米深井软岩大巷，应该更加重视锚杆 的强度和预应力，保证锚杆的及时支护作用效果，巷 道掘进后尽量保持围岩的完整性，使得锚杆在围岩中 形成相互叠加的支护应力场。叠l ，构成预应力承载结 构 图6 ，减小围岩强度的降低，控制围岩的初期扩 容破坏． 锚 【刳6 锚杆支护巷道支护应力场分嘶j F i g ．6 I i s t r i b u t i o l lo fs u p l o r t i n gs I r e s s , f i e h li nr o a d w a 。y s u p ln w t e d 吣r o ‘kI o h s 千米深井高应力软岩大巷围岩持续变形导致锚 杆长期承受较高的载荷作用，同岩和锚杆均发牛蠕变 现象，关于岩体蠕变目前已有较多研究成果，『『i i 锚杆 蠕变研究较少。由于锚杆杆体是锚杆支护系统的主 要承载体心川，锚杆预紧力通过杆体传递，不同预紧力 对锚杆杆体强度要求不同。7 『。锚杆施加完预紧力 后，随着地压和巷道变形量的不同将长期承载不同程 度的载荷。由于大巷服务年限较长，对锚杆长期承载 能力要求高，为此试验研究了锚杆在不同载荷作用下 的蠕变特征及蠕变后的承载能力。 选择6 2 2I l l l l l ，B H R B 5 0 0 型与B H R B 6 0 0 型高强 锚杆加工成标准试件，按照“金属拉伸蠕变及持久试 验方法”国家标准 G B ／T2 0 3 9 1 9 9 7 ，采用金属蠕 变疲劳试验机进行锚杆试件蠕变试验 图7 ，试验温 度2 5 ℃。采用分级加载的方式进行单轴拉伸蠕变试 验，加载分级按照常规单轴拉伸试件的抗拉强度来进 行确定，分为5 级加载。初载的应力值为试件抗拉强 度的2 0 ％。每增加一级，载荷增加2 0 ％。当连续2h 内其变形差不大于0 ．0 0 1i n n l 时，即可进行下一阶梯 的加载。加载过程中载荷的波动范围不得超过 2 ％，否则应立即调整到所需的载荷。试验结果见表 万方数据 第3 期姜鹏飞等千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应片J 1 ，B H R B 6 0 0 型锚杆蠕变曲线如图8 所示，锚杆伸长 率随轴向拉应力变化曲线如图9 所示。 a 锚杆蠕变试验标准试件 b 锚杆蠕变试验 图7 锚杆试件及其蠕变试验 F i g ．7 B o hs a m p l e sa n I t h e ir ‘ I e e pt e s t s 表1B H R B 5 0 0 型、B H R B 6 0 0 型锚杆蠕变试验力学性能指标 T a b l e1M e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei n d e xo fB H R B 5 0 0 ， B H R B 6 0 0b o l tc r e e pt e s t 时间／h 阁8B H R B 6 0 0 型锚杆蠕变曲线 F i g ．8C i ，e e p - U 1 W e ’f 1B H l ／B 6 0 0I } o h 图9B H R B 6 0 0 型锚杆轴向拉应力一伸长率曲线 F i g ．9 A x i a lt e n s i l es t r e s s e l o n g a t i o ncurveo fB H R B 6 0 0b o h 从表l 及图8 ，9 可以看出，当蠕变试验施加的拉 应力载荷小于锚杆拉断载荷抗拉强度 尺。 的6 0 c ／} _ 时，锚杆伸长率很低，且加载后锚杆变形迅速增加，随 后保持稳定。B H R B 5 0 0 型锚杆杆体伸长率为 0 ．2 2 ％；B H R B 6 0 0 型锚杆杆体伸长率为0 ．2 3 8 ％。当 拉应力由锚杆抗拉强度的6 0 ％增大至8 0 ％时，锚杆 伸长率迅速增加，且加载后锚杆发生缓慢变形。 B H R B S 0 0 型锚杆杆体加载后伸长率为1 ．9 5 7 ％，51 1 后伸长率增加至02 ．1 5 2 ％，增力口0 ．1 9 5 ％；B H R B 6 0 0 型锚杆杆体加载后伸长率为1 ．9 4 6 ％，5h 后伸长率 增加到2 ．1 2 0 ％，增加0 ．1 7 4 ％。当拉应力增加至锚 杆抗挝强度的9 0 ％时，锚杆一直持续缓慢变形。 B H R B 5 0 0 型锚杆杆体加载后伸长率为3 ．6 0 9 c ；l _ ，1 3h 后伸长率增加到4 ．0 1 3 ％，增加0 ．4 0 4 ％