龍泉煤業(yè)南膠帶大巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

張崢嶸

(1.呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 呂梁 032300;2.呂梁經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì),山西 呂梁 032300)

1 工程概況

太原煤炭氣化集團(tuán)龍泉煤業(yè)南膠帶大巷主要為礦井提供運(yùn)輸、行人等服務(wù),巷道長(zhǎng)度2 154.6 m。巷道頂板較破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,傾角較大,約12°～13°。巷道底板下有厚度為4.94～5.88 m的煤層,傾角多為5°～10°。該區(qū)域4#煤層頂板巖層主要由砂質(zhì)泥巖及粉砂巖組成,局部為中細(xì)粒砂巖,巖性較硬,屬中—難冒落頂板。南膠帶大巷掘進(jìn)斷面為矩形,掘進(jìn)寬度5.7 m,高度3.75 m,斷面面積21.38 m2。為保障南膠帶大巷圍巖的穩(wěn)定,對(duì)巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行分析。

2 圍巖控制技術(shù)

2.1 錨桿(索)支護(hù)理論

1)錨桿支護(hù)原理?，F(xiàn)欲采用錨索-錨桿聯(lián)合加固方法對(duì)其進(jìn)行支護(hù),從而形成理論上的“雙重組合加固拱”。這種支護(hù)不但對(duì)破碎圍巖有控制的作用,還有效限制了圍巖的彈塑性變形，使巷道圍巖的變形大幅減小,最大程度地保證巷道斷面的充分利用,展現(xiàn)其優(yōu)越的支護(hù)能力。

均勻壓縮帶(拱)理論認(rèn)為,錨桿對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生作用時(shí),每一根錨桿的兩頭會(huì)形成錐形的筒狀壓縮區(qū)。如果錨桿之間的間距足夠小,排列成錨桿群,那么就會(huì)在巷道圍巖中形成均勻的、相互交錯(cuò)重疊的應(yīng)力支撐帶,就是組合拱或壓縮拱[1-2]。這種組合拱既承載著上部破碎圍巖的徑向壓力,又承載著該組合拱內(nèi)部巖層產(chǎn)生的徑向及切向應(yīng)力,整體巖層形成了三向應(yīng)力狀態(tài),使其圍巖強(qiáng)度提高,支撐能力也隨之加大,如圖1所示。

(a) 錨固體的均勻壓縮帶

(b) 錨桿支護(hù)的均勻壓縮拱圖1 錨桿支護(hù)均勻壓縮帶(拱)支護(hù)理論示意圖Fig.1 Theoretical schematic of even compression belt (arch) of bolt support

按組合拱理論,錨桿的間距與壓縮拱厚度的關(guān)系可由下式確定[3]:

(1)

式中:b′為組合拱或壓縮拱的厚度,m;l為錨桿有效長(zhǎng)度,m;α為錨桿在破裂巖體中的控制角,(°);a′為錨桿的間排距,m。

錨桿的長(zhǎng)度用下式確定:

l=N(1.5+B/10) .

(2)

式中:B為巷道跨度,5.7 m;N為圍巖穩(wěn)定性影響系數(shù),取1.1。

計(jì)算得錨桿長(zhǎng)度l=2.27 m,再補(bǔ)充上一定的富裕值,最終將錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度定為2.4 m。

2)預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)原理。預(yù)應(yīng)力錨索不但具備預(yù)應(yīng)力錨桿所擁有的對(duì)圍巖的加固能力,且因其長(zhǎng)度特點(diǎn),將其長(zhǎng)錨索的錨頭錨入深部穩(wěn)定巖層可以達(dá)到限制圍巖變形的效果。由于錨索長(zhǎng)度較長(zhǎng),故其錨頭經(jīng)過(guò)圍巖松動(dòng)區(qū)和塑性變形區(qū)深入到原巖應(yīng)力區(qū)進(jìn)行錨固,根基就比錨桿深許多[4-5]。

生產(chǎn)錨索的材料具有高強(qiáng)度性,包括高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線或鋼筋,最大抗張拉荷載能達(dá)到1 000～6 000 kN,煤礦常用的錨索也在200 kN以上。在其產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力作用下,松散圍巖會(huì)出現(xiàn)彈性收縮,從而形成一個(gè)自我承載區(qū)域,提高了圍巖的整體承載能力,三維應(yīng)力呈平衡狀態(tài),通過(guò)圍巖的原有承載能力及預(yù)應(yīng)力錨索的聯(lián)合力保障圍巖的穩(wěn)定。每根錨索都可以看作一個(gè)鉸支點(diǎn),把巷道頂板的整體承載分為一個(gè)個(gè)小跨梁(如圖2所示),把頂板的整體載荷均勻分布到每個(gè)絞支點(diǎn)上,這樣就提高了組合梁的整體受力極限,維護(hù)了巷道的穩(wěn)固[6]。

圖2 錨索減跨作用原理示意圖Fig.2 Principle of span reduction of anchor cables

2.2 支護(hù)方案

分析南膠帶大巷的地質(zhì)條件及對(duì)錨桿(索)支護(hù)原理的認(rèn)知,采取如下具體支護(hù)方案。

1)頂板支護(hù)方案。錨桿采用MSGLW-500型。桿身為Φ22-M24-2400 mm左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿;鉆頭直徑為30 mm,用端頭錨固方式進(jìn)行錨固;兩支樹(shù)脂錨藥卷,規(guī)格分別為MSCK2335和MSCK2360;間排距850 mm×1 000 mm;錨桿梯子梁所用材料為Φ14 mm的鋼筋,長(zhǎng)5 300 mm,寬100 mm;共布 7孔,孔間距850 mm。

錨索由Φ21.8 mm×7 000 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線配樹(shù)脂錨固劑構(gòu)成。利用端頭錨固方式進(jìn)行錨固,共三支樹(shù)脂錨藥卷,包括一支MSCK2335和兩支MSCK2360錨固劑,配套直徑為30 mm的鉆頭;“二三五花”布置,兩根間排距為2 300 mm×2 000 mm,三根間排距為1 850 mm×2 000 mm;錨索托盤(pán)采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板、半圓球型墊及配套鎖具。

2)巷幫支護(hù)方案。錨桿型號(hào)、鉆頭參數(shù)和錨固方式等都與頂板支護(hù)的錨桿布設(shè)相同,但其間排距設(shè)為900 mm×1 000 mm。

錨桿配件:半圓球型墊、高強(qiáng)錨桿螺母及托盤(pán)同頂板材料一致,并配合W鋼護(hù)板(規(guī)格400 mm×280 mm×3 mm)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。網(wǎng)片規(guī)格:網(wǎng)孔采用50 mm×50 mm規(guī)格,網(wǎng)片采用3 300 mm×1 200 mm規(guī)格,連接用的雙絲雙股扭結(jié)至少達(dá)到3圈,聯(lián)網(wǎng)間距至少每米10扣以上。

巷道錨桿的具體安裝角度、位置及各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)如圖3所示。

2.3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型核驗(yàn)該支護(hù)方案的可行性。數(shù)值模型的尺寸為200 m×80 m×60 m(高),按照建模初始應(yīng)力平衡巷道開(kāi)挖支護(hù)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究,數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

圖3 南膠帶大巷優(yōu)化支護(hù)斷面圖Fig.3 Cross-section view of Optimal support in south-wing belt conveyor transportation roadway

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果示意圖Fig.4 Numerical simulation results

由圖4可知,巷道掘進(jìn)過(guò)程中,兩巷幫圍巖的垂直應(yīng)力集中區(qū)域(b)不是很大,其峰值達(dá)到了8.56 MPa;巷道頂?shù)装宀糠謪^(qū)域出現(xiàn)一塊比較明顯的剪切應(yīng)力區(qū)(c),峰值可達(dá)4.15 MPa;巷道的頂?shù)装逋瑫r(shí)出現(xiàn)了小部分的的水平應(yīng)力(a),峰值達(dá)到11.43 MPa?；谝陨戏治隹芍?巷道頂板及兩幫塑形區(qū)發(fā)育程度較小,錨桿(索)錨固巖層未出現(xiàn)塑形破壞。另外巷道在該種支護(hù)方案下,圍巖水平應(yīng)力、剪切應(yīng)力及垂直應(yīng)力分布均勻,巷道兩幫水平應(yīng)力集中程度較小。

綜合上述數(shù)值模擬分析結(jié)果,在該支護(hù)方案下，圍巖中的應(yīng)力分布均勻,塑性區(qū)發(fā)育也處于合理范圍內(nèi),支護(hù)方案能夠保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

3 效果分析

3.1 測(cè)站布置

為驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性及支護(hù)效果,在滯后南膠帶大巷掘進(jìn)頭8 m的位置處安置礦壓監(jiān)測(cè)站,主要測(cè)量巷道表面的變形量和錨桿(索)的受力情況。利用十字布點(diǎn)法測(cè)量巷道的表面移近量。安裝7個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)觀測(cè)錨桿(索)受力情況,頂板錨桿測(cè)力計(jì)3個(gè),兩幫錨桿測(cè)力計(jì)各2個(gè),分別安裝在第二、三根錨桿端頭處,均采用內(nèi)大外小兩個(gè)托板將錨桿測(cè)力計(jì)夾在中間。

3.2 巷道表面位移分析

由以上測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制出了巷道圍巖變形量-時(shí)間的變化曲線,如圖5所示。

圖5 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量曲線圖Fig.5 Deformation curve of surrounding rock during roadway driving

分析圖5可知,膠帶順槽掘進(jìn)期間,巷道圍巖的變形量隨著距掘進(jìn)迎頭距離的增大而逐漸增大。其中,圍巖的變形主要發(fā)生在掘進(jìn)工作面后方0～40 m;當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后掘進(jìn)工作面40 m后,圍巖變形速率大幅減小,變形區(qū)域逐漸穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)比頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康膮?shù)可知,巷道圍巖兩幫的移近量相對(duì)較大。當(dāng)巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)后,兩幫和頂?shù)装逡平康姆逯捣謩e達(dá)到了22 mm及86 mm,故掘進(jìn)期間巷道圍巖移近量處于可控范圍內(nèi),基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。所以,南膠帶大巷采用的優(yōu)化支護(hù)方案是符合工程要求的合理方案。

3.3 錨桿索受力情況

通過(guò)巷道掘進(jìn)時(shí)巷幫錨桿和頂板錨索的受力狀態(tài)，以及錨桿(索)測(cè)力計(jì)測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),繪制了幫部錨桿及頂板錨索隨時(shí)間變化的受力變化曲線,如圖6所示。

分析圖6(a)可知,巷道掘進(jìn)期間,巷道幫部錨桿測(cè)力計(jì)G1整體呈增長(zhǎng)的趨勢(shì),受力大,峰值達(dá)109.02 kN(約為屈服載荷的57.38%),錨桿受力正常,無(wú)錨桿失效和拉脫的現(xiàn)象出現(xiàn),仍在穩(wěn)定承載范圍內(nèi);分析圖6(b)可知,錨索預(yù)應(yīng)力173.9 kN,峰值203.04 kN (約為屈服載荷的40.61%),錨索受力也處于合理范圍內(nèi),無(wú)失效現(xiàn)象出現(xiàn)。

(a) 幫部錨桿

(b) 頂板錨索圖6 錨桿(索)受力曲線圖Fig.6 Curves of anchor (cable) stress

4 結(jié)論

根據(jù)南膠帶大巷的具體地質(zhì)條件,通過(guò)分析錨桿(索)的支護(hù)原理,設(shè)計(jì)巷道錨網(wǎng)索支護(hù)方案,并在支護(hù)方案實(shí)施后進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)。礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果表明,巷道兩幫和頂?shù)装逡平康姆逯捣謩e達(dá)到了22 mm和86 mm,掘進(jìn)期間的整體變形量處于合理范圍內(nèi),錨桿(索)受力也正常,該方案切實(shí)保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。