高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

周躍飛

(西山煤電集團(tuán) 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200)

·試驗(yàn)研究·

高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

周躍飛

(西山煤電集團(tuán) 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200)

在分析山西某礦5107工作面專用瓦斯排放巷存在的支護(hù)問題的基礎(chǔ)上，論述了錨桿索桁架支護(hù)技術(shù)組成方式和作用機(jī)理，借助于數(shù)值模擬手段，對(duì)優(yōu)化后的錨桿索支護(hù)方案和原有支護(hù)方案下的巷道圍巖受力變形情況進(jìn)行對(duì)比分析，論證了前者的支護(hù)效果，實(shí)踐應(yīng)用過程中巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，錨桿索桁架支護(hù)布置有效改善了圍巖應(yīng)力分布，控制了離層變形，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

高預(yù)應(yīng)力；錨桿索桁架；數(shù)值模擬；變形監(jiān)測(cè)

科學(xué)合理的巷道支護(hù)方式是保障井工煤礦安全高效生產(chǎn)的核心要素之一，錨桿索聯(lián)合支護(hù)理論與技術(shù)的成熟發(fā)展，為大量的煤巷支護(hù)難題提供了解決方案，并得到廣泛的推廣應(yīng)用。工程應(yīng)用效果表明，傳統(tǒng)錨桿索支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)，隨著煤層開采條件復(fù)雜化程度的加劇，支護(hù)效率逐漸降低，已難以從根本上保證復(fù)雜巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。為了更好地發(fā)揮錨桿索聯(lián)合支護(hù)的潛力，專家學(xué)者們?cè)诖罅繉?shí)踐的基礎(chǔ)上，相繼提出了預(yù)應(yīng)力支護(hù)的概念并展開研究，張農(nóng)從理論上探討了層狀頂板預(yù)應(yīng)力控制與錨桿索支護(hù)機(jī)理，并系統(tǒng)性地提出了預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系，馬念杰分析了煤巷小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索的工程特性，指出錨索的工程力學(xué)性能和錨索構(gòu)件的力學(xué)性能是錨索支護(hù)設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要指標(biāo)，并提出錨索的破斷力和錨索延伸量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，何富連對(duì)新型預(yù)應(yīng)力桁架錨索技術(shù)進(jìn)行了深入研究，進(jìn)一步闡明了桁架錨索支護(hù)的作用機(jī)理和優(yōu)越性。

山西某新建現(xiàn)代化礦井屬于高瓦斯礦井，主采3#煤層，平均埋深510 m左右，屬于三軟煤層，在煤層巷道礦壓控制與錨桿(索)支護(hù)方面投入巨大的財(cái)力、物力，也取得了一定的成效，但巷道受采動(dòng)影響劇烈，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)惡性冒頂和嚴(yán)重的離層下沉，錨桿(索)支護(hù)構(gòu)件損毀嚴(yán)重，給巷道維護(hù)帶來巨大挑戰(zhàn)，需進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)方案。為了更好地制定針對(duì)性的巷道支護(hù)方案，以5107工作面專用瓦斯排放巷為依托，開展高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護(hù)工藝研究并進(jìn)行效果分析，以期為礦井其它類似巷道支護(hù)提供參考。

1 巷道概況

5107工作面專用瓦斯排放巷為進(jìn)風(fēng)及輔助運(yùn)輸巷，右側(cè)毗鄰5106工作面回風(fēng)巷，瓦斯巷斷面形狀為矩形布置，斷面尺寸為寬4.5 m×高3.0 m. 受采動(dòng)影響劇烈，巷道頂板采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)，配以規(guī)格為長(zhǎng)4 500 mm×寬220 mm×厚4 mm的W形鋼帶和規(guī)格為4 800 mm×1 000 mm金屬菱形網(wǎng)護(hù)頂；兩幫為錨桿支護(hù)，采用規(guī)格為長(zhǎng)2 600 mm×寬1 000 mm金屬菱形網(wǎng)護(hù)幫。該工作面專用瓦斯排放巷支護(hù)布置示意圖見圖1.

圖1 5107工作面專用瓦斯排放巷支護(hù)布置示意圖

2 存在的問題

1) 5#煤層煤質(zhì)松軟，頂板為多層泥巖組成的復(fù)合頂板，局部區(qū)域的直接頂有4#煤，層厚0～0.1 m. 層理裂隙發(fā)育，分層厚度0.1～0.3 m，裂隙間距0.1～0.5 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生離層破壞和垮落；底板為泥巖，強(qiáng)度較低，易發(fā)生底鼓變形。

2) 區(qū)段順槽巷道服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，每條順槽巷道長(zhǎng)度達(dá)1 600～1 800 m，中間巷順槽屬于復(fù)用巷道，既受綜采面采動(dòng)超前支承壓力的影響，又受采后支承壓力劇烈影響，需經(jīng)歷順槽掘進(jìn)期、切眼掘進(jìn)期、回采設(shè)備安裝期、采面銜接期、采動(dòng)劇烈影響期，變形破壞時(shí)間很長(zhǎng)。

3) 巷道斷面跨度大，拉應(yīng)力集中于頂板中部，基本的錨桿(索)、錨網(wǎng)支護(hù)不利于巷道煤巖處于多維應(yīng)力狀態(tài)，已不能滿足劇烈采動(dòng)影響下的支護(hù)需求，致使離層破壞范圍擴(kuò)大，頂板冒落幾率增加，影響掘進(jìn)速度和形成瓦斯積聚，不利于煤礦生產(chǎn)安全。

4) 采動(dòng)劇烈影響導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)惡性冒頂和嚴(yán)重的離層下沉，錨桿(索)支護(hù)構(gòu)件損毀嚴(yán)重，煤幫出現(xiàn)向巷道內(nèi)整體大內(nèi)移、垮幫或嚴(yán)重鼓幫，巷道支護(hù)系統(tǒng)大范圍損毀，導(dǎo)致礦井出現(xiàn)綜采面銜接異常緊張的局面。

3 高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護(hù)機(jī)理

3.1 支護(hù)形式

高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架是由傾斜錨桿或錨索、專用連接器及拉桿、張拉千斤頂和錨固劑組成。其基本的支護(hù)結(jié)構(gòu)是：在巷道頂板靠近兩幫的位置，分別布置一根錨桿或錨索，錨固至有效支撐的頂板巖層中，兩端經(jīng)專用連接器用拉桿連接起來，并通過張拉千斤頂施加一定的預(yù)應(yīng)力，使錨桿或錨索和拉桿形成一個(gè)支護(hù)整體，從而改善頂板應(yīng)力分布狀態(tài)。

3.2 支護(hù)原理

高預(yù)應(yīng)力錨索桿桁架的錨固點(diǎn)和承載結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是處于巷道深處呈穩(wěn)定受壓狀態(tài)的兩肩窩，通過加固巷道淺部煤巖體，提高淺部巖體的力學(xué)性能，使其形成一個(gè)受力整體。錨桿索桁架支護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮作用后，可提供多維主動(dòng)支護(hù)力，使巷道頂板巖層內(nèi)形成鉛錘方向和水平方向的擠壓應(yīng)力區(qū)，改善了巖體的受力狀態(tài)，削弱頂板彎曲引起的拉應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?yīng)狀態(tài)，減小甚至消除頂板的下沉量，維護(hù)了頂板的穩(wěn)定性。高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架受力分析見圖2.

圖2 高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架受力分析圖

4 錨桿索桁架支護(hù)的數(shù)值模擬與分析

4.1 支護(hù)方案與參數(shù)

經(jīng)多方論證后，采用錨桿索桁架支護(hù)技術(shù)對(duì)5107工作面專用瓦斯抽放巷原有支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的巷道支護(hù)布置見圖3，具體支護(hù)參數(shù)如下：

1) 頂板支護(hù)。

a) 錨桿支護(hù)。錨桿尺寸為d20 mm×2 200 mm，錨固長(zhǎng)度800 mm，排距1 600 mm，每排7根，錨桿間距650 mm，孔口幫距500 mm. 預(yù)緊力矩大于180 N·m，錨固力不小于100 kN，兩幫錨桿與鉛垂線夾角為10°，其余錨桿均為豎直布置；W形鋼帶規(guī)格為長(zhǎng)4 500 mm×寬220 mm×厚4 mm，鉆孔直徑40 mm，7孔布置，鋼帶兩端最外側(cè)兩根錨孔間距650 mm，其它錨孔間距700 mm.

b) 錨索支護(hù)。

單體錨索。

錨索尺寸為d17.8 mm×9 300 mm，錨固長(zhǎng)度1 200 mm，沿頂板豎直布置。錨索間距1 000 mm，排距1 600 mm，每排布置5根錨索。兩端錨索孔口幫距為250 mm.

鐵托板選用特制鑄鋼材質(zhì)，護(hù)頂采用金屬菱形網(wǎng)，規(guī)格4 800 mm×1 000 mm.

桁架錨索。

錨索尺寸為d17.8 mm×9 300 mm，錨固長(zhǎng)度1 200 mm，底部桁架長(zhǎng)2 100 mm，孔口幫距1 200 mm，錨索與鉛垂線夾角為20°，桁架錨索之間的排距為1 600 mm，預(yù)緊力為140 kN.

2) 巷道兩幫支護(hù)。

a) 錨桿支護(hù)。

錨桿尺寸d20 mm×3 000 mm，錨固長(zhǎng)度1 200 mm，排距800 mm，每排4根，間距800 mm，孔口幫距500 mm，預(yù)緊力矩大于140 N·m，錨固力不小于70 kN. 靠近頂板的錨桿與水平線夾角為10°，其余錨桿均水平布置。

網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬菱形網(wǎng)護(hù)幫，規(guī)格為長(zhǎng)2 600 mm×寬1 000 mm.

b) 錨索支護(hù)

錨索尺寸為d17.8 mm×5 300 mm，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm，沿頂板豎直布置。排距1 600 mm，兩根幫錨索孔口距離1 200 mm. 下位錨索鉆孔與水平線夾角為-5°，上位錨索鉆孔與水平線的夾角為+10°.

圖3 高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護(hù)布置圖

4.2 數(shù)值模擬模型的建立

依據(jù)5107工作面專用瓦斯排放巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的地質(zhì)條件，借助于有限元差分?jǐn)?shù)值仿真軟件FLAC3D，建立二維數(shù)值模擬計(jì)算模型，對(duì)支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)見表1，計(jì)算模型見圖4.

圖4 數(shù)值模擬模型圖

序號(hào)材料密度/kg·m-3剪切模量/GPa體積模量/GPa黏結(jié)力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa1砂質(zhì)泥巖266021.239.115.3346.02細(xì)粒砂巖266311.316.520.9403.93灰砂泥巖25008.213.011.5311.043#煤14000.91.892.5280.95砂質(zhì)泥巖25008.313.011.0311.06灰色中砂巖260024.341.216.7366.97黑砂泥巖24508.012.510.0311.28細(xì)粒砂巖266021.239.115.3346.09泥巖24508.012.510.3311.510細(xì)粒砂巖267620.838.113.7325.8

4.3 模擬結(jié)果分析

通過設(shè)不同的邊界條件和初始參數(shù)值，分別對(duì)原先和優(yōu)化后的支護(hù)方式下的塑性區(qū)分布范圍、垂直應(yīng)力和垂直位移量進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模擬圖見圖5，頂板豎直應(yīng)力分布曲線，垂直位移變化曲線分別見圖6，7.

圖5 巷道塑性區(qū)分布情況模擬圖

圖6 頂板豎直應(yīng)力分布曲線圖

圖7 頂板垂直位移變化曲線圖

從圖5可看出，采用錨桿索桁架支護(hù)后，在多維主動(dòng)支護(hù)力的作用下，淺部處于松動(dòng)圈內(nèi)的塑性巖塊被緊密束縛在深部完整巖體上，圍巖塑性區(qū)范圍得到了很大程度地減小，抑制淺部巖層離層、裂隙張開，圍巖破碎程度將有所緩解。

從圖6，7可知，隨著距巷道頂板下端距離的增加，兩種支護(hù)方式下的頂板豎直應(yīng)力和垂直位移均以近乎平行線的形式增長(zhǎng)，錨桿索桁架支護(hù)下的豎直應(yīng)力減小1.2 MPa，而垂直位移減小了0.03 m左右，說明優(yōu)化后的支護(hù)方案效果更佳。

5 巷道礦壓觀測(cè)

為了觀測(cè)采動(dòng)劇烈影響下垮冒煤巷的礦壓顯現(xiàn)情況，檢驗(yàn)新支護(hù)方案參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性與適用性，設(shè)置相應(yīng)的測(cè)站，對(duì)圍巖表面位移、頂板離層狀況、錨桿載荷變化情況進(jìn)行觀測(cè)。5107工作面專用瓦斯排放巷試驗(yàn)段長(zhǎng)度為1 600 m，巷道礦壓觀測(cè)站布置情況見圖8，初期試驗(yàn)段巷道圍巖表面位移觀測(cè)共安設(shè)3個(gè)測(cè)站，其余地段每隔200 m安設(shè)一個(gè)測(cè)站，計(jì)6個(gè)測(cè)站，總共設(shè)立9個(gè)測(cè)站。剔除部分偏差較大數(shù)據(jù)，得到 5107工作面專用瓦斯排放巷圍巖表面位移隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，見圖9.

圖8 巷道礦壓測(cè)站布置圖

圖9 5107工作面專用瓦斯排放巷圍巖表面位移曲線圖

由圖9可以看出，在完成巷道支護(hù)后的20天內(nèi)，巷道頂板和兩幫圍巖位移量快速增加，但巷道斷面收斂率整體不大，兩幫移近量最大不超過120 mm，頂板下沉量最大不超過80 mm；20～40天，巷道圍巖變形量增速放緩，且趨于穩(wěn)定；40～70天，巷道圍巖處于受力平衡狀態(tài)，變形微弱，兩幫累積變形量穩(wěn)定在200 mm左右，頂板累積下沉量穩(wěn)定在120 mm左右。

第80天后，受采動(dòng)影響，巷道新建立的平衡狀態(tài)被打破，巷道斷面收斂率迅速提高，在采動(dòng)后所觀測(cè)的兩個(gè)多月中，兩幫最大累積移近量為400 mm，頂板最大累積下沉量為300 mm，其中頂板支護(hù)情況良好，底鼓現(xiàn)象較原先支護(hù)條件下明顯減少，在回采面后方100 m處底鼓量最大處的巷道高度仍有2.7 m，監(jiān)測(cè)期內(nèi)未出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等嚴(yán)重礦壓現(xiàn)象，可見錨桿索桁架較好地發(fā)揮了深部圍巖的自承能力，使得更大范圍的巖體共同承擔(dān)采動(dòng)壓力，從而有效地控制了巷道頂板變形。

6 結(jié) 語

5107工作面專用瓦斯排放巷的支護(hù)實(shí)踐表明，錨桿索桁架及鋼帶形成一個(gè)立體的支護(hù)體系，能在巷道頂板巖層深處形成鉛錘方向和水平方向的擠壓應(yīng)力區(qū)，有效抑制了圍巖破壞變形，且具有施工簡(jiǎn)單、后續(xù)工程量少、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，為軟弱、破碎、穩(wěn)定性差的煤巷支護(hù)難題的攻克提供了良好的思路。

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0018-04

2017-04-02

周躍飛(1984—)，男，山西古交人，2013年畢業(yè)于東北大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦開掘技術(shù)管理工作(E-mail)3527925403@qq.com