動(dòng)壓巷道組合錨索支護(hù)應(yīng)用分析

劉瑞軍

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 202 運(yùn)輸順槽概況

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云韓家洼煤業(yè)有限公司202 運(yùn)輸順槽位于井田二采區(qū)，巷道東面為201 綜采工作面采空區(qū)，南面為22 號(hào)煤層二采區(qū)回風(fēng)大巷，北面為井田邊界，西面為回采區(qū)域，如圖1 所示。

圖1 202 運(yùn)輸順槽機(jī)頭硐室段原支護(hù)示意圖（單位：mm）

202 運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長度為1850 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.0 m×3.2 m，巷道掘進(jìn)煤層為22號(hào)層，煤層平均厚度11.14 m，含4～6 層夾矸。煤層大致走向西南，傾向西北，呈一單斜構(gòu)造，傾角較小，平均-3°。

202 運(yùn)輸順槽機(jī)頭硐室段設(shè)計(jì)長度為240 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=5.5 m×3.7 m，由于202機(jī)頭硐室段施工斷面積大，同時(shí)202 運(yùn)輸順槽與201工作面采空區(qū)間距為15 m，受鄰近采空區(qū)及采動(dòng)影響巷道掘進(jìn)期間圍巖破碎嚴(yán)重，而原巷道頂板主要采用錨索、W 型鋼帶等支護(hù)，錨索布置間距為0.8 m、長度為8.3 m、直徑為21.8 mm，同時(shí)對巷道幫部與頂板處施工角錨索，角錨索長度為5.0 m、直徑為21.8 mm，如圖1 所示。所以頂板采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，但是通過實(shí)際應(yīng)用效果來看，錨索支護(hù)效果差，頂板下沉嚴(yán)重[1-2]。

2 組合錨索“應(yīng)力柱”效應(yīng)分析

為了提高動(dòng)壓區(qū)頂板穩(wěn)定性，決定對202 運(yùn)輸順槽機(jī)頭硐室段頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采用組合錨索支護(hù)。

2.1 組合錨索支護(hù)特點(diǎn)

1）目前煤礦采用的組合錨索主要由組合托盤和錨索組成，每組組合錨索由3～5 根單錨索組成；202運(yùn)輸順槽機(jī)頭硐室段動(dòng)壓區(qū)頂板采用的組合錨索由5 根錨索組成，其中長度分別為1 根10.3 m、2 根8.3 m以及2 根6.3 m，通過長度的錨索可將不同層位的圍巖進(jìn)行錨固。

2）傳統(tǒng)的單錨索支護(hù)屬于點(diǎn)性支柱，預(yù)應(yīng)力相對分散，而組合錨索預(yù)應(yīng)力相對集中，屬于面性支護(hù)，在支護(hù)過程中具有足夠的預(yù)應(yīng)力可在松動(dòng)圍巖內(nèi)形成“應(yīng)力柱”，預(yù)應(yīng)力支護(hù)面積大，支護(hù)效果好。

3）組合錨索支護(hù)截面積大，在支護(hù)過程中能夠?qū)θ鋭?dòng)變形圍巖起到有效的控制作用，與單錨索支護(hù)相比，能夠杜絕單錨索支護(hù)時(shí)因應(yīng)力疲勞現(xiàn)象，造成錨索支護(hù)體抗載強(qiáng)度降低現(xiàn)象[3]。

2.2 “應(yīng)力柱”效應(yīng)分析

2.2.1 應(yīng)力場模擬分析

在頂板巖性、厚度以及錨索直徑、長度等參數(shù)不變的情況下，在改變錨索數(shù)量的情況現(xiàn)象分別建立單錨索支護(hù)和組合錨索支護(hù)應(yīng)力模擬圖，如圖2 所示；利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件建模，模型長度及寬度均為50 m，模型共計(jì)分為25000 個(gè)單元格，并對模型底部建立橫向和豎向的位移量，從而建立豎直模型圖。

圖2 單錨索與組合錨索應(yīng)力分布圖

從圖2 可見，單錨索支護(hù)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力場相對分散，形成有效“應(yīng)力柱”區(qū)域少；而采用組合錨索支護(hù)時(shí)，應(yīng)力相對集中，形成的“應(yīng)力柱”均勻，組合錨索支護(hù)后對蠕動(dòng)變形圍巖產(chǎn)生壓縮應(yīng)力區(qū)，對圍巖大變形能夠起到更好的空壓作用。

2.2.2 動(dòng)載擾動(dòng)應(yīng)力分析

1）在其他參數(shù)不變的情況下，分別對單錨索支護(hù)應(yīng)力場和組合錨索支護(hù)應(yīng)力場施加動(dòng)載，分析單錨索支護(hù)和組合錨索支護(hù)巷道圍巖蠕動(dòng)變形范圍及圍巖變形量，通過現(xiàn)場監(jiān)測圍巖變形量如表1 所示。

表1 巷道圍巖變形監(jiān)測

2）通過對比分析巷道采用單錨索支護(hù)時(shí)圍巖蠕動(dòng)變形區(qū)明顯大于組合錨索支護(hù)時(shí)圍巖內(nèi)部蠕動(dòng)變形圈，同時(shí)根據(jù)表1 可見，采用組合錨索支護(hù)時(shí)巷道頂板下沉量、兩幫移進(jìn)量以及底鼓量明顯小于單錨索支護(hù)，由此可見，采用組合錨索支護(hù)能夠?qū)θ鋭?dòng)變形圍巖起到更好的控制效果[4-5]。

3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

為了準(zhǔn)確掌握組合錨索現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果，在202 運(yùn)輸順槽機(jī)頭硐室段20～40 m 以及40～60 m 處各設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)（1 號(hào)、2 號(hào)）；其中1 號(hào)測點(diǎn)采用原單錨索支護(hù)，2 號(hào)測點(diǎn)采用組合錨索支護(hù)，通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖3 所示。

圖3 動(dòng)壓區(qū)單錨索與組合錨索支護(hù)時(shí)圍巖變形曲線

根據(jù)圖3 發(fā)現(xiàn)，采用單錨索支護(hù)后動(dòng)壓區(qū)巷道圍巖變形量相對較大，實(shí)測頂?shù)装遄畲笠平?90 mm，而兩幫最大移近量達(dá)1150 mm；而采取組合錨索支護(hù)后頂?shù)装遄畲笠平繛?40 mm，而兩幫最大移近量為230 mm，由此可見采用組合錨索支護(hù)后對動(dòng)壓區(qū)圍巖變形控制效果更佳，組合錨索支護(hù)過程中形成的“應(yīng)力柱”能夠削弱圍巖內(nèi)部動(dòng)壓破壞作用，說明組合錨索錨索支護(hù)強(qiáng)度高、失效率低；同時(shí)根據(jù)圍巖變化曲線發(fā)現(xiàn)，無論采用單錨索支護(hù)還是組合錨索支護(hù)，在支護(hù)后前40 d 范圍內(nèi)圍巖成急劇變形現(xiàn)象，主要原因是圍巖存松動(dòng)圈，在持續(xù)動(dòng)壓影響松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大過程中錨索支護(hù)由原來的主動(dòng)支護(hù)注漿變?yōu)楸粍?dòng)支護(hù)，最終錨索與變形圍巖實(shí)現(xiàn)耦合支護(hù)作用[6]。

4 結(jié)論

1）在靜載荷作用下通過應(yīng)力場模擬分析發(fā)現(xiàn)，采用單錨索支護(hù)時(shí)形成的應(yīng)力分散，“應(yīng)力柱”效應(yīng)不明顯，而采用組合錨索支護(hù)時(shí)應(yīng)力相對集中，在圍巖深部一定范圍內(nèi)形成連續(xù)穩(wěn)定的“應(yīng)力柱”，同時(shí)在組合錨索承載件附近產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力也相對集中，能夠起到更好的支護(hù)作用。

2）在動(dòng)載荷作用下組合錨索支護(hù)時(shí)能夠?qū)鷰r起到預(yù)期支護(hù)作用，對圍巖控制效果好，圍巖變形量明顯小于單錨索支護(hù)，所以組合錨索支護(hù)更有利于動(dòng)壓區(qū)變形圍巖支護(hù)。

3）通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果表明，采用組合錨索支護(hù)后大大提高了頂板穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)單錨索支護(hù)時(shí)受動(dòng)壓應(yīng)用，錨索破斷現(xiàn)象嚴(yán)重、支護(hù)失效率高等技術(shù)難題，避免了巷道二次支護(hù)施工，降低了動(dòng)壓區(qū)巷道支護(hù)成本費(fèi)用以及勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。