層狀頂板巷道錨索破斷機(jī)理

李鵬 來興平 沈玉旭

摘 要：為揭示層狀頂板巷道錨索破斷機(jī)理，減小錨索破斷造成的安全隱患，以晉煤集團(tuán)趙莊礦3盤區(qū)3308工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和井下試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了層狀頂板層面正應(yīng)力與切向應(yīng)力分布規(guī)律及不同層狀頂板厚度、層理不連續(xù)面數(shù)量、錨索預(yù)緊力下錨索的工作形態(tài)，結(jié)果表明：頂板巖層層理面上的剪應(yīng)力呈非均勻分布，巷道跨中剪應(yīng)力為0，最大剪應(yīng)力發(fā)生在巷道兩幫的支承區(qū)域范圍，錨索水平偏移量與層面剪應(yīng)力分布一致，提高錨索預(yù)緊力能夠有效減少錨索的水平偏移。層狀頂板錨索破斷機(jī)理是錨索受層狀頂板各層理巖層錯(cuò)動(dòng)剪切破斷，現(xiàn)場試驗(yàn)表明，在變?nèi)^索支護(hù)為高強(qiáng)度接長錨桿與錨索分區(qū)協(xié)同支護(hù)后，趙莊礦33082巷道試驗(yàn)段頂板剛度顯著提高，試驗(yàn)段巷道服務(wù)期間未發(fā)生錨索破斷現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：層狀頂板;錨索破斷;理論分析;錨索工作形態(tài)中圖分類號(hào)：TD 32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2021）04-0608-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0405開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Breaking mechanism of anchor cable in

layered roof roadway

LI Peng1，2，LAI Xingping1，SHEN Yuxu2

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Mining Engineering Department，Shanxi Institute of Energy，Jinzhong 030600，China）

Abstract：In order to reveal the broken mechanism of anchor cable in roadway with layered roof and to eliminate the potential safety hazard caused by broken anchor cable，taking 3308 working face of No.3 panel of Zhaozhuang Coal Mine of Jinmei group as the engineering background，the distribution law is analyzed of normal stress and tangential stress of layered roof layer，and the working mode of anchor cable

is examined

with different layered roof thickness，number of bedding discontinuities and anchor cable pre-tightening force based on theoretical analysis，numerical simulation and underground experiment.The results show that：the shear stress on the bedding plane of roof rock is non-uniform distribution，the mid span shear stress of roadway is 0，the maximum shear stress occurs in the support area of two sides of roadway，the horizontal offset of anchor cable is consistent with the shear stress distribution of bedding plane，and raising the pretension of anchor cable can effectively reduce the horizontal deviation of anchor cable.The failure mechanism of anchor cable in layered roof is that the anchor cable is sheared by the staggered shear of each layer of layered roof.The field test shows that the roof stiffness of 33082 roadway test section in Zhaozhuang Coal Mine is significantly improved after changing the full anchor cable support to high-strength extended bolt and anchor cable zoning collaborative support，and no anchor cable breaking phenomenon occurs during the service period of the test section roadway.Key words：layered roof;broken anchor cable;theoretical analysis;working mode of anchor cable

0 引 言煤礦巷道處于煤系地層中，其頂板往往具有層狀結(jié)構(gòu)的特性[1-3]，此類巷道開挖使用過程中，巷道頂板受力特性類似板的彎曲，加之頂板巖層之間因剪切錯(cuò)動(dòng)而發(fā)生剪脹現(xiàn)象[4-6]，使得巷道頂板發(fā)生下沉，并伴隨錨索的破斷失效，而錨索支護(hù)對(duì)于巷道頂板的穩(wěn)定性起到非常關(guān)鍵的作用[7-8]，因此給礦井的安全高效開采帶來諸多隱患。目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)層狀頂板巷道的變形破壞及支護(hù)技術(shù)和錨索的承載特性進(jìn)行了大量研究，但對(duì)層狀頂板與錨索的相互作用導(dǎo)致錨索破斷鮮有研究，如王松陽研究了水滲流對(duì)薄層復(fù)合頂板的弱化影響[9];吳新選等針對(duì)“三軟”復(fù)合頂板提出了讓均壓支護(hù)技術(shù)，并在王村煤礦13503工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合頂板巷道圍巖變形得到有效控制[10];惠功領(lǐng)等通過卸壓讓壓耦合支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高應(yīng)力復(fù)合頂板巷道的合理支護(hù)[11];蔣力帥等對(duì)復(fù)合層狀頂板的巖層結(jié)構(gòu)做了分類并對(duì)冒頂隱患進(jìn)行了評(píng)價(jià)分級(jí)[12];吳德義等分析了原巖應(yīng)力、巷道寬度、復(fù)合頂板巖性、復(fù)合頂板厚度及結(jié)構(gòu)面黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角等因素對(duì)復(fù)合頂板離層的影響程度[13];孟慶彬等針對(duì)深部軟弱破碎復(fù)合頂板矩形斷面煤巷易冒頂、大變形、難支護(hù)等特點(diǎn)，提出了兼具組合梁和組合拱承載效應(yīng)的梁-拱錨固承載結(jié)構(gòu)，有效維持了深部軟弱破碎復(fù)合頂板煤巷圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及安全[14];康紅普等基于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的4種常用錨索鋼絞線的拉伸試驗(yàn)和5組錨索托板的壓縮試驗(yàn)，得到了不同錨索的力學(xué)性能參數(shù)[15];楊仁樹等建立了一套錨索雙剪試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的剪切力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究表明預(yù)應(yīng)力錨索的剪切破斷為橫向剪切與軸向拉伸共同作用的結(jié)果[16];李金華等基于B Benmokrane三階段線性函數(shù)建立錨固體與孔壁界面的剪切滑移本構(gòu)模型，采用荷載傳遞函數(shù)法，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段剪應(yīng)力沿軸向的分布規(guī)律進(jìn)行了理論研究[17-18];王衛(wèi)軍等通過現(xiàn)場勘查與理論分析，認(rèn)為軟弱厚層直接頂板錨索孔施工過程中的變形和安裝過程對(duì)錨固劑的破壞是導(dǎo)致錨索支護(hù)失效的主要原因并提出了基于厚層軟弱直接頂?shù)男碌腻^索參數(shù)設(shè)計(jì)方法[19];張農(nóng)等將錨桿（索）支護(hù)失效形式劃分為粘結(jié)失效型、圍巖失效型、桿體破斷失效型、護(hù)表構(gòu)件失效型等4類，在此基礎(chǔ)上，提出錨桿桿體強(qiáng)化、護(hù)表構(gòu)件性能提升、樹脂錨固劑性能改造、圍巖滯后注漿等4項(xiàng)技術(shù)控制錨桿（索）支護(hù)破壞失效[20];董恩遠(yuǎn)等針對(duì)巷道支護(hù)失效形式，分析了考慮圍巖蠕變的錨固時(shí)空效應(yīng)，提出了基于可接長錨桿的圍巖控制技術(shù)[21]。因此，采用理論分析、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場試驗(yàn)等手段，分析層狀頂板巖層層面應(yīng)力及錨索工作形態(tài)的分布規(guī)律，確定層狀頂板錨索的破斷機(jī)理，并提出相應(yīng)的治理措施。1 工程背景趙莊煤礦為晉煤集團(tuán)新建特大型礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800萬t/a，主采3號(hào)煤層。趙莊礦井下巷道，受頂板層理發(fā)育、埋深大、強(qiáng)采動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造、淋水、斷面尺寸大等疊加作用，在使用過程中，圍巖變形較大，存在的巷道應(yīng)力高度集中、支護(hù)材料及參數(shù)不匹配、巷道壓力控制困難等問題，造成巷道頂板錨索斷裂失效現(xiàn)象較多，錨索斷裂失效率約為25‰，對(duì)此需花費(fèi)大量人力物力進(jìn)行處置，不僅嚴(yán)重干擾生產(chǎn)，而且?guī)戆踩[患。以井田內(nèi)3盤區(qū)3308工作面為研究背景，工作面布置如圖1所示，33082巷與33081巷間區(qū)段煤柱寬度為40 m，工作面內(nèi)3號(hào)煤層厚度一般為3.5～6.2 m，平均5.5 m，煤層傾角1～15°，平均8°，煤層埋藏深度600 m，煤層直接頂主要是層理發(fā)育的砂質(zhì)泥巖，老頂為中砂巖。頂板巖層結(jié)構(gòu)及巖石物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

趙莊煤礦3308工作面回采巷道設(shè)計(jì)采用全錨索支護(hù)頂板，工作面3條平巷在掘進(jìn)一段距離后均出現(xiàn)不同程度的錨索破斷現(xiàn)象，如圖2所示，錨索破斷形態(tài)一般呈彎曲劈裂狀，無明顯頸縮現(xiàn)象，破斷位置主要位于巷道表面以里1～2 m的位置。

2 層狀頂板層理面應(yīng)力解析為揭示層狀頂板錨索破斷機(jī)理，首先應(yīng)對(duì)巷道頂板巖層層理面上的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，為此將矩形巷道的外接圓視為圓形斷面，根據(jù)雙向等壓圓形巷道的應(yīng)力分布解析解及轉(zhuǎn)換方程求得頂板層理面法向與切向應(yīng)力解析解。

根據(jù)圓形巷道的雙向等壓受力狀態(tài)的應(yīng)力解析解[2]可知

σθ=p1+

a2r2

（1）

σr=p1-

a2r2

（2）

則巷道頂板層理面上的法向與切向應(yīng)力分別為

σ=12（σr+σθ）

+

12（σr-σθ）cos 2θ

=p1-a2r2cos 2θ

（3）

τ=-12

（σr-σθ）sin 2θ=pa2r2sin 2θ

（4）則有

τ=σsin 2θ

r2a2-cos 2θ

=σsin 2θ

hacos θ

2-cos 2θ

（5）

式中 σθ為切向應(yīng)力，MPa;σr為徑向應(yīng)力，MPa;σ為頂板層理面上的法向應(yīng)力，MPa;τ為頂板層理面上的切向應(yīng)力，MPa;p為靜水壓力，MPa;a為矩形巷道外接圓半徑，m;r為圓弧體內(nèi)徑到外接圓圓心距離，m;θ為轉(zhuǎn)角，（°）;h為頂板層理面距巷道中心的距離，m。式（5）解析結(jié)果表明，巷道頂板巖層層理面上的剪應(yīng)力τ的分布規(guī)律與頂板層理面距巷道中心的距離h、巷道半徑a、轉(zhuǎn)角θ和法向應(yīng)力σ有關(guān)，當(dāng)θ=0時(shí)，巷道頂板巖層層理面上的剪應(yīng)力τ=0。由此說明，巷道跨中頂板巖層層理面上的剪應(yīng)力為零;頂板巖層層理面上的剪應(yīng)力會(huì)隨層理面高度h值的增加而降低，會(huì)隨巷道半跨a值的增加而增加;頂板巖層層理面上的最大剪應(yīng)力，發(fā)生在巷道兩幫的支承區(qū)域范圍，巖層層理面上的剪應(yīng)力呈非均勻分布。由此可以得出，錨固巖層中，在同一斷面和同一層位的不同部位，錨索所承受的剪應(yīng)力不同;同一斷面和同一部位的不同層位上索所承受的剪應(yīng)力也不同。錨索的布置方式和幾何參數(shù)，應(yīng)與頂板巖層層理面上的剪應(yīng)力分布規(guī)律相適應(yīng)，以提高其支護(hù)效率，減少錨索的破斷失效。

3 層狀頂板錨索破斷數(shù)值模擬

3.1 模型建立以趙莊礦3308工作面33082平巷為研究對(duì)象，巷道斷面尺寸為5 m×4.5 m，各巖層物理力學(xué)性質(zhì)參見表2，頂板支護(hù)采用全錨索支護(hù)，錨索長度6.4 m，錨索間距1.1 m;建立包含層理的FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為40 m×30 m×1 m，模型側(cè)面限制水平位移，底面固定水平及豎直方向位移。使用Interface單元模擬巖體中的層理不連續(xù)面，數(shù)值模型中Interface結(jié)構(gòu)單元參數(shù)見表2。使用Cable結(jié)構(gòu)單元模擬錨索并施加預(yù)緊力，每根錨索建立64個(gè)結(jié)構(gòu)單元，65個(gè)節(jié)點(diǎn)，在模擬過程中將錨索尾部的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性約束來模擬錨索托盤及鎖具[22-23]。埋深按600 m計(jì)，模型頂面施加15.0 MPa的上覆巖層壓力，側(cè)壓系數(shù)為1單元格由外及里逐漸加密，模型共計(jì)11 180個(gè)單元，數(shù)值模型如圖4所示。

3.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)基于上述數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，設(shè)置了層狀頂板厚度、頂板層理不連續(xù)面數(shù)量、錨索預(yù)緊力大小3個(gè)維度的正交試驗(yàn)組，計(jì)算方案見表3。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析利用FLAC3D中的List命令可以調(diào)出錨索單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，將其坐標(biāo)導(dǎo)出后，在Origin中繪制錨索工作形態(tài)圖，如圖5所示，這樣就可將處于工作狀態(tài)的錨索可視化、數(shù)據(jù)化，方便判斷錨索破斷失效的位置及錨索的變形程度，由于模型具有對(duì)稱性，分析時(shí)僅選取錨索1，2，3。

首先從整體分析可知，位于巷道跨中的錨索3的工作形態(tài)幾乎不發(fā)生水平偏移，而位于巷道一側(cè)的錨索1，2均發(fā)生較明顯的水平偏移，且水平偏移量錨索1>錨索2，由于錨索的承載特性為抗拉不抗剪，當(dāng)發(fā)生較大水平偏移時(shí)可認(rèn)為錨索受層理面錯(cuò)動(dòng)剪切發(fā)生破斷失效，印證了前文分析所得結(jié)論即巷道跨中頂板巖層層理面上的剪應(yīng)力為零，頂板巖層層理面上的最大剪應(yīng)力，發(fā)生在巷道兩幫的支承區(qū)域范圍，巖層層理面上的剪應(yīng)力呈非均勻分布。其次對(duì)各實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤芍S著層狀頂板厚度的增加錨索工作形態(tài)的水平偏移量增加，且錨索開始發(fā)生水平偏移的位置與層狀頂板的厚度基本保持一致;隨著層理數(shù)量的增加錨索的工作形態(tài)由“光滑型”向“鋸齒形”轉(zhuǎn)變，表明層理面數(shù)量的增加使得錨索受剪切的位置增多;隨著錨索預(yù)緊力的增加，錨索的水平偏移量減小。

為對(duì)正交實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，并更加清晰的分析錨索的水平偏移量，選取各試驗(yàn)組中錨索1的坐標(biāo)進(jìn)行放大，如圖6所示。若將錨索水平偏移量作為衡量錨索破斷指標(biāo)，由圖可知，對(duì)錨索破斷影響程度排序?yàn)閷訝铐敯搴穸?層理數(shù)量>錨索預(yù)緊力，由此可知，通過提高錨索預(yù)緊力，增加層理面之間正應(yīng)力，減少層理錯(cuò)動(dòng)達(dá)到近似減少層理面的效果[24-25]，將層狀頂板厚度為2 m錨索1的直接頂0層理，錨索預(yù)緊力250 kN模擬方案與直接頂5層理，錨索預(yù)緊力50 kN模擬方案錨索工作形態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示，可知錨索水平偏移量分別為65.8 mm和118.98 mm，偏移量減小約45%，因此提高錨索預(yù)緊力能夠有效防止錨索破斷。

4 層狀頂板錨索破斷機(jī)理及井下治理試驗(yàn)綜合以上分析可知，層狀頂板錨索破斷的根本原因是錨索受層狀頂板各層理巖層錯(cuò)動(dòng)影響，導(dǎo)致錨索在受較大拉應(yīng)力的條件下，同時(shí)受到巖層剪切作用所致，而埋深、巷道斷面、井下水、采動(dòng)應(yīng)力、支護(hù)參數(shù)等影響因素通過疊加均扮演著加劇這種柔性剪切的角色，疊加因素越多錨索就更易發(fā)生破斷失效。為減少錨索的破斷失效應(yīng)減少層間剪切錯(cuò)動(dòng)

和離層，為此提出了“利用高強(qiáng)接長錨桿支護(hù)幫角，變?nèi)^索支護(hù)為錨桿錨索分區(qū)協(xié)同支護(hù)”策略對(duì)趙莊礦33082巷支護(hù)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)并開展了工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)段支護(hù)方案如圖8所示，觀測結(jié)果如圖9所示。其中，頂板采用MG500的螺紋鋼可接長錨桿，總長4 400 mm，預(yù)緊力500 N·m;采用1×19結(jié)構(gòu)的錨索，錨索直徑21.8 mm，長度6 400 mm，預(yù)緊力300 kN。

在變?nèi)^索支護(hù)為高強(qiáng)接長錨桿與錨索分區(qū)協(xié)同支護(hù)后，在巷道頂板幫角高剪應(yīng)力區(qū)域采用高強(qiáng)接長錨桿支護(hù)，充分發(fā)揮了錨桿剛度大具有較高抗剪切的能力，巷道頂板中部區(qū)域仍采用錨索支護(hù)，避開了高剪應(yīng)力區(qū)，發(fā)揮其高承載力的同時(shí)減少了錨索破斷失效的可能性。

如圖9所示，現(xiàn)場觀測表明趙莊礦33082巷道試驗(yàn)段從掘進(jìn)到工作面推進(jìn)至測站位置，累計(jì)頂板下沉量為397 mm，通過在監(jiān)測初期和末期的鉆孔窺視可知在支護(hù)范圍內(nèi)頂板完整性良好，表明頂板剛度支護(hù)后顯著提高，進(jìn)而有效的控制層狀頂板的離層與錯(cuò)動(dòng)，同時(shí)試驗(yàn)段巷道監(jiān)測期間沒有再發(fā)生錨索破斷現(xiàn)象，驗(yàn)證了支護(hù)方案的可行性。

5 結(jié) 論

1）層狀頂板巖層層理面上的剪應(yīng)力呈非均勻分布，巷道跨中頂板巖層層理面上的剪應(yīng)力為零，頂板巖層層理面上的最大剪應(yīng)力，發(fā)生在巷道兩幫角的支承區(qū)域范圍。

2）將錨索水平偏移量作為衡量錨索破斷指標(biāo)，錨索發(fā)生破斷失效的可能性與層狀頂板厚度及層理數(shù)量呈正相關(guān)，與錨索預(yù)緊力呈負(fù)相關(guān)。

3）層狀頂板錨索破斷的根本原因是受各層理錯(cuò)動(dòng)的柔性剪切所致，埋深、巷道斷面、井下水、采動(dòng)應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造等影響因素通過疊加均扮演著加劇這種柔性剪切的角色，疊加因素越多錨索就更易發(fā)生破斷失效。4）現(xiàn)場試驗(yàn)表明，在變?nèi)^索支護(hù)為高強(qiáng)度接長錨桿與錨索分區(qū)協(xié)同支護(hù)后，趙莊礦33082巷道試驗(yàn)段頂板剛度顯著提高，試驗(yàn)段巷道服務(wù)期間未發(fā)生錨索破斷現(xiàn)象。

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