注漿錨索超前支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

周 瑋

（山西焦煤西山煤電西曲礦， 山西 太原 030000）

引言

在我國(guó)厚煤層開(kāi)采過(guò)程中，采煤工作面回采巷道超前支護(hù)問(wèn)題一直影響困擾著礦井的開(kāi)采，回采巷道超前段由于受到多重采動(dòng)影響，使得回采巷道超前段礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，對(duì)超前段進(jìn)行安全有效的支護(hù)十分重要。我國(guó)礦井發(fā)生的事故中3 成以上是巷道頂板事故[1-2]。某礦回采巷道超前段支撐采用單體液壓支柱，但由于其支護(hù)難度大、支護(hù)效率低的問(wèn)題嚴(yán)重限制著礦井的出煤率[3]，因此本文以某礦為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同注漿錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，驗(yàn)證了利用注漿支護(hù)代替單體液壓支柱的可行性，為礦井安全高效開(kāi)采提供保障。

1 某礦回采巷道概況

某礦東西長(zhǎng)約10.5 km，南北寬1.8 km，井田總面積15.1545 km2。工作面煤層賦存較為穩(wěn)定，主采3 號(hào)煤層，煤厚7.4～8.9 m，煤層平均厚度為8.1 m，其中頂煤厚4.5～6.0 m，平均5.25 m。煤層走向近似南北，煤層傾角1°～3°，煤層傾角平均值為2°。煤層頂板及底板巖性如表1 所示。

表1 煤層頂板及底板巖性

2 數(shù)值模擬

采用注漿錨索超前支護(hù)技術(shù)能夠改善錨索的受力，使錨索能夠及時(shí)向巷道圍巖提供相應(yīng)的支護(hù)阻力。使得圍巖的自身承載能力有了一定幅度的提升。將松散、軟弱的圍巖進(jìn)行固著，從而使得圍巖與錨索形成穩(wěn)定錨固體，達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定的作用，本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同注漿錨索參數(shù)下的巷道錨巖體耦合效果進(jìn)行分析，從而為回采巷道超前支護(hù)提供依據(jù)。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，選定FLAC3D 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模型建立，模型的尺寸設(shè)定為100 m×80 m×20 m，巷道的斷面尺寸為4.2 m×4 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于本文計(jì)算模擬數(shù)據(jù)較多，所以在進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分時(shí)，將模型尺寸進(jìn)行粗劃分，在保證計(jì)算精度的前提下盡量提升模型的運(yùn)算速度。完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力設(shè)置，根據(jù)計(jì)算施加模型上端載荷16 MPa，模型采用庫(kù)倫- 摩爾屈服準(zhǔn)則，完成模型的建立。對(duì)巷道塑性破壞規(guī)律進(jìn)行研究，模擬云圖如圖1 所示。

圖1 巷道塑性破壞云圖

從圖1 中可以看出，巷道塑性變形大致可分為三個(gè)階段：

1）巷道回采初期，在此階段內(nèi)，巷道的淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)改變?？紤]到由于巷道斷面尺寸較大，此時(shí)在巷道的頂?shù)装逯虚g位置出現(xiàn)拉伸破壞，圍巖塑性區(qū)域快速擴(kuò)展，在巷道四個(gè)肩角位置呈現(xiàn)擴(kuò)散性向著四周發(fā)生擴(kuò)展，破壞主要為剪切破壞形式，同時(shí)隨著圍巖破壞范圍的不斷深入，在軟弱煤幫的煤體會(huì)出現(xiàn)大量的裂隙，裂隙的產(chǎn)生會(huì)釋放能量，從而使得圍巖塑性區(qū)范圍快速增加。

2）巷道回采中期，在此階段內(nèi)巷道圍巖的能量達(dá)到飽和，裂隙及圍巖的塑性區(qū)快速增長(zhǎng)，伴隨著采動(dòng)的影響和原巖應(yīng)力的作用，此時(shí)在巷道的幫部及頂板出現(xiàn)較大面積的剪切破壞和拉伸破壞，同時(shí)會(huì)在頂板與煤層夾角位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，煤巖體的自承載力下降，巷道的圍巖位移量快速增大。

3）巷道回采后期，在此階段內(nèi)，巷道的圍巖支撐應(yīng)力與原巖應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)巖體塑性區(qū)也基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)的頂板受自重形成彎曲的固支梁結(jié)構(gòu)。巖層間受拉應(yīng)力的影響，巷道頂板會(huì)出現(xiàn)一定的離層及裂隙，巷道圍巖的完整性和承載力受到一定的影響。如果巷道的頂板巖層巖性較為軟弱，會(huì)加劇幫部軟弱煤體的破壞，最終導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)破壞。

對(duì)不同注漿錨桿參數(shù)下錨巖體耦合效果進(jìn)行分析，首先對(duì)錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行分析，選定錨桿長(zhǎng)度分別為5200 mm、6200 mm、7200 mm，模擬云圖如圖2 所示。

圖2 不同注漿錨桿長(zhǎng)度下耦合云圖

從圖2 可以看出，當(dāng)錨索長(zhǎng)度選用5200 mm 時(shí)，此時(shí)通過(guò)應(yīng)力分布可以看出，錨索預(yù)應(yīng)力釋放后，此時(shí)巷道的頂板發(fā)生變形。此時(shí)在頂板深部0～2500 mm 的范圍內(nèi)形成壓應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。在錨索的底端與頂端壓應(yīng)力之間相互疊加，疊加的壓應(yīng)力值相對(duì)較小，所以對(duì)提升承載層的強(qiáng)度作用較小，同時(shí)在錨索的端部難以深入基本頂中穩(wěn)定錨固，錨固效果較差。當(dāng)錨索長(zhǎng)度增加至6200 mm 時(shí)，此時(shí)在錨索頂板深部0～5000 mm 的范圍內(nèi)壓應(yīng)力值相互疊加，能夠形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)。在錨索頂端和底端壓應(yīng)力集中區(qū)貫穿，壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)形成完整有效的應(yīng)力疊加，圍巖承載層強(qiáng)度得到了較大幅度的提升，能夠抵抗采動(dòng)對(duì)頂板的影響。當(dāng)錨索長(zhǎng)度增加至7200 mm 時(shí)，此時(shí)在錨索頂板深部0～6000 mm 的范圍內(nèi)形成壓應(yīng)力疊加，但由于錨索長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，使得錨索頂端與底端壓應(yīng)力集中區(qū)雖能貫穿，但在壓應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)數(shù)值變化較大，難以形成穩(wěn)定的應(yīng)力疊加，所以頂板的穩(wěn)定性較差，對(duì)于采動(dòng)的影響效果有限。所以可以得出最佳錨索的長(zhǎng)度為6200 mm。

對(duì)不同錨索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分析，選定錨索預(yù)應(yīng)力分別為100 kN、150 kN、200 kN，模擬云圖如3 所示。

從圖3 可以看出，當(dāng)錨索產(chǎn)生的預(yù)緊力大于150 kN 時(shí)，此時(shí)錨索能夠在巷道頂板巖層中形成有效的預(yù)應(yīng)力，預(yù)緊力越大使得巖層中的預(yù)應(yīng)力有效疊加效果越好，形成整體壓應(yīng)力區(qū)，從而改變開(kāi)挖后巷道頂板的拉應(yīng)力破壞形態(tài)。同時(shí)形成穩(wěn)定的錨巖支護(hù)體承載結(jié)構(gòu)，改善巷道圍巖承載能力及圍巖受力狀態(tài)，預(yù)緊力同樣能降低由于頂板沉降造成的煤柱應(yīng)力集中及受力不均問(wèn)題，達(dá)到穩(wěn)定巷道的目的。

圖3 不同注漿錨桿預(yù)應(yīng)力下耦合云圖

3 結(jié)論

1）通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)巷道塑性變形大致可分為三個(gè)階段，分別為巷道回采初期、巷道回采中期、巷道回采后期。

2）當(dāng)錨索長(zhǎng)度為6200 mm 時(shí)，此時(shí)在錨索頂板深部0～5000 mm 的范圍內(nèi)壓應(yīng)力值相互疊加，能夠形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，耦合效果最佳。

3）當(dāng)錨索產(chǎn)生的預(yù)緊力大于150 kN 時(shí)，此時(shí)錨索能夠在巷道頂板巖層中形成有效的預(yù)應(yīng)力，預(yù)緊力越大使得巖層中的預(yù)應(yīng)力有效疊加效果越好。