強(qiáng)采動(dòng)錨索破斷機(jī)制及讓壓控制技術(shù)研究

閆小軍

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

綜放煤層開(kāi)采的回采巷道通常沿煤層底板掘進(jìn)[1-3]，巷道頂板處于松軟的煤層中，受錨桿長(zhǎng)度的限制，通常采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)。錨索可以將淺部錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的組合梁[4]懸吊在深部穩(wěn)定的巖體中[4-5]。然而，綜放工作面開(kāi)采強(qiáng)度大，強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力下，回采巷道頂板煤體裂隙發(fā)育并出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象[6]。此時(shí)，錨桿索的協(xié)同承載特性將會(huì)顯著降低，當(dāng)錨索承擔(dān)的載荷超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)，錨索破斷引起支護(hù)體系的失衡極易引發(fā)巷道圍巖大變形[7]，嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)。

本文以王莊煤礦91采區(qū)9106工作面運(yùn)輸巷為工程背景，利用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型，反演分析了厚煤層回采巷道的變形特征及錨索破斷機(jī)制，提出了讓壓錨索支護(hù)技術(shù)并取得良好的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果，具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程概況

王莊煤礦9106工作面布置在3號(hào)煤層，9106運(yùn)輸巷沿煤層底板掘進(jìn)，全長(zhǎng)2 120 m，工作面布置見(jiàn)圖1.3號(hào)煤層平均厚度6.45 m，直接頂為2.54 m的泥巖，屬于軟弱頂板；基本頂為3.1 m細(xì)砂巖，直接底為0.88 m的泥巖；基本底為2.15 m厚的細(xì)砂巖。

圖1 9106工作面布置圖

煤巖層綜合柱狀圖見(jiàn)圖2.9106運(yùn)輸斷面矩形，寬×高=5.5 m×3.5 m，采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)方案，支護(hù)設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖3.巷道頂板掘進(jìn)支護(hù)采用的傳統(tǒng)錨索延伸率低、易破斷，極易引發(fā)巷道圍巖的失穩(wěn)災(zāi)變，嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)。

圖2 煤巖層綜合柱狀圖

圖3 9106運(yùn)輸巷支護(hù)斷面設(shè)計(jì)(mm)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)9106工作面煤巖層綜合柱狀圖及生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立FLAC3D的數(shù)值計(jì)算模型，尺寸為：長(zhǎng)×高=100 m×80 m，巷道開(kāi)挖尺寸為寬×高=5.5 m×3.5 m，巷道支護(hù)參數(shù)如圖4、圖5所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

圖5 模型支護(hù)圖

本次模擬本構(gòu)關(guān)系選擇為摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，模型頂部邊界及兩側(cè)施加11.26 MPa的應(yīng)力，模型底部邊界位移固定。模擬過(guò)程中采用FLAC3D內(nèi)置cable構(gòu)件模擬錨桿及錨索。鑒于軟件的內(nèi)置cable不能實(shí)現(xiàn)錨桿索的破斷效應(yīng)，所以利用fish語(yǔ)言編程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿索長(zhǎng)度、變形特征的監(jiān)測(cè)，若錨桿索變形程度超過(guò)錨索變形最大延伸長(zhǎng)度時(shí)，判定支護(hù)體已失效。錨索破斷判據(jù)可以表示為：

(1)

根據(jù)上式，將Cable單元所處的不同時(shí)期狀態(tài)分為三段：

1) 彈性段，該階段為能達(dá)到錨索承受的雖大載荷，即變形程度及受力均未超過(guò)錨索所能承受的最大值，若錨索構(gòu)建繼續(xù)變形，錨索將進(jìn)入塑性段。

2) 塑性段，該階段錨索單元受力與錨索所能承受的最大載荷大小相同，而變形并未達(dá)到臨界值，還能在此受力狀態(tài)下繼續(xù)變形。

3) 失效段(失效點(diǎn))，該階段錨索單元變形量大于錨索所能承受的最大變形量，錨索單元在此階段將出現(xiàn)破斷失效現(xiàn)象。

由上述分析將Cable單元的受力模型進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)圖6所示效果：

圖6 錨索結(jié)構(gòu)單元修正預(yù)期效果

2.2 回采巷道變形特征

模型開(kāi)挖支護(hù)并計(jì)算平衡后，提取巷道圍巖位移云圖及塑性區(qū)對(duì)錨索破斷前后回采巷道位移變化規(guī)律及塑性區(qū)發(fā)育程度進(jìn)行分析。

由圖7可知：錨索破斷前，巷道頂板的最大下沉量為105 mm，底鼓量為42.3 mm，兩幫移近量最大值為94.3 mm；錨索破斷后，頂板下沉量超過(guò)1.5 m，巷道兩幫移近量超過(guò)1.4 m，與支護(hù)體未破斷時(shí)相比，巷道圍巖變形增大量超過(guò)1 m，嚴(yán)重影響工作面正常生產(chǎn)。

圖7 位移變化特征

由圖8 可知：錨索破斷后，巷道圍巖塑性區(qū)頂板及靠近工作面一側(cè)幫部破壞范圍明顯加大并向深部擴(kuò)展，而底板破壞并無(wú)明顯增加，巷道圍巖的穩(wěn)定性很大程度上依賴錨索的懸吊支護(hù)作用，當(dāng)圍巖離層總量超過(guò)其最大延伸量，錨索就會(huì)失去支護(hù)效果，發(fā)生破斷，圍巖進(jìn)而失去支護(hù)，發(fā)生強(qiáng)烈變形。

圖8 塑性區(qū)發(fā)育程度

2.3 錨索破斷機(jī)制

通過(guò)提取回采過(guò)程中錨索的軸力變化曲線繪制如圖9所示的錨索全過(guò)程受力曲線。

圖9 錨索全過(guò)程受力曲線

由圖9可知：在工作面回采產(chǎn)生的強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力影響下，巷道支護(hù)體系所受載荷迅速增大，并先后達(dá)到破斷載荷，此時(shí)受力為0 kN，且在工作面采動(dòng)作用下，巷道頂板未采動(dòng)側(cè)最外圍錨索發(fā)生破斷失效，隨后頂板中央位置錨索也發(fā)生破斷失效，頂板采動(dòng)側(cè)錨索最后出現(xiàn)破斷。工作面采動(dòng)后，錨索支護(hù)范圍巖層的離層值對(duì)錨索的破斷效應(yīng)具有較強(qiáng)的敏感性。鑒于支護(hù)體破斷失效與其桿體延伸率大小有著直接的聯(lián)系，所以以提升支護(hù)體延伸率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖良好的控制效果。

3 讓壓錨索支護(hù)技術(shù)

針對(duì)王莊煤礦9106運(yùn)輸巷頂板錨索支護(hù)中索體延伸率小、易破斷而造成巷道支護(hù)效果差、支護(hù)材料浪費(fèi)等現(xiàn)象，提出吸能讓壓錨索技術(shù)。

3.1 讓壓錨索控制機(jī)理

讓壓錨索結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本較低，錨索具有恒阻高、伸縮量可調(diào)、延伸量較大、支護(hù)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，讓壓錨索如圖10所示。

圖10 讓壓錨索示意

讓壓錨索工作時(shí)，圍巖變形擠壓讓壓裝置，讓壓裝置產(chǎn)生壓縮變形，再把力傳給錨索體，錨索體受拉產(chǎn)生拉伸。讓壓裝置彈性模量小于錨索體，因此讓壓管具有更大的變形能力，讓壓錨索與普通錨索的應(yīng)力-變形關(guān)系[8]如圖11所示。

圖11 錨索應(yīng)力-變形關(guān)系

由圖11可以看出，圍巖變形達(dá)到S1時(shí)，傳統(tǒng)錨索的應(yīng)力σ1要大于讓壓錨索的應(yīng)力σ2；當(dāng)讓壓過(guò)程結(jié)束后，S1-S2即為讓壓錨索產(chǎn)生的讓壓距離?？梢?jiàn)，讓壓錨索可以在一定程度上降低頂板的離層和下沉導(dǎo)致錨索破斷進(jìn)而引發(fā)巷道圍巖垮塌的可能性。

3.2 支護(hù)方案

9106運(yùn)輸巷錨索吸能讓壓支護(hù)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖12所示。將支護(hù)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于9106運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，對(duì)巷道圍巖變形及錨桿索受力情況進(jìn)行連續(xù)30 d的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖12 讓壓錨索支護(hù)斷面設(shè)計(jì)(mm)

從圖13可知，隨著距掘進(jìn)迎頭距離的增加，巷道表面圍巖收斂變形量逐漸增大，頂板下沉量為32 mm，底鼓量最大值為30 mm，兩幫移近量最大值為36 mm，巷道整體變形量在合理范圍內(nèi)。

圖13 巷道表面變形情況

由圖14可知，在0～8 d內(nèi)，錨桿索所受載荷迅速上升，在8～30 d內(nèi)錨桿索受力趨于穩(wěn)定，其變化相對(duì)平穩(wěn)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中未發(fā)生錨桿及錨索破斷等嚴(yán)重威脅巷道圍巖穩(wěn)定的現(xiàn)象，說(shuō)明讓壓錨索技術(shù)能夠降低錨索破斷的風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的支護(hù)效果。

圖14 錨桿索受力特征

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，將錨索破斷判據(jù)嵌入到FLAC3D計(jì)算模型中，分析了強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力影響下，巷道圍巖變形特征及錨索破斷機(jī)制。

2) 分析了讓壓錨索控制機(jī)理，并將讓壓錨索支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，讓壓錨索支護(hù)效果良好，具有較好的工程指導(dǎo)意義。