全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)在強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道的應(yīng)用

萬世文,李 峰,王曉林

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.潞安礦業(yè)集團(tuán)公司,山西長(zhǎng)治 046204;3.潞安環(huán)能股份公司漳村煤礦,山西長(zhǎng)治 046032;4.潞安環(huán)能股份公司郭莊煤礦,山西長(zhǎng)治 046204)

全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)在強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道的應(yīng)用

萬世文1,2,李 峰3,王曉林4

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.潞安礦業(yè)集團(tuán)公司,山西長(zhǎng)治 046204;3.潞安環(huán)能股份公司漳村煤礦,山西長(zhǎng)治 046032;4.潞安環(huán)能股份公司郭莊煤礦,山西長(zhǎng)治 046204)

針對(duì)漳村煤礦受強(qiáng)烈動(dòng)壓影響的 2305工作面瓦斯巷地質(zhì)與生產(chǎn)條件,運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,結(jié)合高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)理論,提出采用全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù),并取得了成功,有效控制了巷道圍巖變形,滿足了工作面安全生產(chǎn)要求。

全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固;強(qiáng)烈動(dòng)壓;強(qiáng)力支護(hù)

Application of Full-length Pre-stress Anchored Bolt i n Roadway with Strong Dynamic Pressure

漳村煤礦進(jìn)入二水平開采以來,隨著開采深度的增加造成礦山壓力明顯增大,同時(shí)由于采掘銜接緊張,在同一采區(qū)相鄰工作面尚未回采完畢的情況下,就要進(jìn)行相鄰的下一個(gè)工作面的準(zhǔn)備工作。這樣就勢(shì)必造成鄰近回采工作面的掘進(jìn)巷道要經(jīng)受多次動(dòng)壓影響,強(qiáng)烈的動(dòng)壓擾動(dòng)使巷道變形嚴(yán)重,特別是在掘進(jìn)工作面與相鄰回采工作面平行時(shí),巷道變形非常嚴(yán)重,不能滿足生產(chǎn)和安全的要求。目前一般的巷道支護(hù)方式難以滿足這種強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道的支護(hù)要求。

為此,開展了該條件下全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿、錨索組合支護(hù)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件

試驗(yàn)巷道為漳村煤礦 2305瓦斯巷,該巷沿 3號(hào)煤層頂板掘進(jìn),巷道長(zhǎng)度為 1312.5m,與正在回采的 2303工作面之間煤柱為 27m,在煤柱中間掘進(jìn) 2305回風(fēng)巷。該處巷道埋深 400m左右。

2305工作面主采煤層為 3號(hào)煤層,平均厚度為 6.2m,單軸抗壓強(qiáng)度為 8MPa。煤層直接頂為3.7m的泥巖,之上為 2.8m的細(xì)砂巖,再往上為3.6m的粉砂巖和 4.2m的細(xì)粒石英砂巖。

2305瓦斯巷位于 23采區(qū)南部,東部為 23采區(qū)大巷,西部為漳村煤礦與常村煤礦井田邊界,北部為正在回采的 2303工作面,南面為未采區(qū)。2305瓦斯巷大部分要在 2303工作面未回采前掘進(jìn),而且 2305工作面先掘瓦斯巷后掘回風(fēng)巷,2305瓦斯巷既要經(jīng)受 2305回風(fēng)巷掘進(jìn)影響,又要受到 2303及 2305工作面回采動(dòng)壓影響。最大水平主應(yīng)力為 6.58MPa,方向 N54.7°W;最小水平主應(yīng)力 3.53MPa;垂直應(yīng)力為 8.5MPa。工作面布置如圖 1。

圖1 2305工作面布置

2 圍巖應(yīng)力分布特征的數(shù)值模擬

采用應(yīng)變 -軟化模型模擬靠近巷道的巖層和煤層,采用摩爾 -庫侖模型模擬其他范圍內(nèi)的巖層和煤層。建立模型的長(zhǎng)、寬、高分別為 320m,5m和30m,共劃分 52800個(gè)單元和 65484個(gè)節(jié)點(diǎn),初始模型如圖 2所示。

圖2 數(shù)值模型

垂直應(yīng)力分布如圖 3。從圖中可以看出巷道頂板和底板垂直應(yīng)力下降最為明顯,應(yīng)力云圖呈拱形分布,應(yīng)力下降區(qū)在頂?shù)装宸植挤秶艽?。隨著進(jìn)入頂?shù)装宓纳疃仍黾?垂直應(yīng)力恢復(fù)為正常水平。而巷道兩幫表面垂直應(yīng)力下降不明顯,低于正常水平,但進(jìn)入兩幫較深部位,垂直應(yīng)力又升高,高于正常水平,即存在一個(gè)垂直應(yīng)力集中區(qū)域。隨著進(jìn)入深度增加,兩幫垂直應(yīng)力恢復(fù)正常水平。

圖3 垂直應(yīng)力分布

水平應(yīng)力分布如圖 4。巷道兩幫水平應(yīng)力下降區(qū)進(jìn)入兩幫一定深度,而且兩幫表面水平應(yīng)力下降明顯,是潛在的拉伸應(yīng)力破壞區(qū);巷道頂?shù)装鍦\部水平應(yīng)力下降較大,但隨著進(jìn)入頂?shù)装迳疃燃哟?水平應(yīng)力逐漸升高,并出現(xiàn)水平應(yīng)力升高區(qū),然后又逐漸恢復(fù)正常水平。并且頂?shù)装宸秶鷥?nèi)的水平應(yīng)力降低區(qū)未明顯增加,仍小于兩幫的降低區(qū)范圍。

圖4 水平應(yīng)力分布

3 設(shè)計(jì)原則

依據(jù)強(qiáng)力一次支護(hù)原則,高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則,高強(qiáng)度、高剛度與低密度原則以及臨界支護(hù)強(qiáng)度和剛度原則進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

4 支護(hù)方案

4.1 錨固方式的選擇

端部錨固具有錨桿自由段比較長(zhǎng),錨桿預(yù)緊力作用范圍比較大,形成的有效壓應(yīng)力厚度較大的優(yōu)點(diǎn),但是由于錨桿與鉆孔間有較大間隙,對(duì)圍巖的變形、離層及錯(cuò)動(dòng)不敏感。

全長(zhǎng)錨固由于錨固劑將錨桿桿體與鉆孔孔壁完全粘結(jié)在一起,錨桿桿體對(duì)圍巖變形和離層很敏感,具有能夠及時(shí)抑制圍巖離層和滑動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),但是由于錨桿沒有自由段,錨桿預(yù)緊力作用范圍很小,較高的壓應(yīng)力主要集中在錨桿尾部,有效壓應(yīng)力區(qū)厚度小。

全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固同時(shí)具有端部錨固和全長(zhǎng)錨固兩者的優(yōu)點(diǎn),是通過采用不同凝結(jié)速度的錨固劑配合來實(shí)現(xiàn),快速錨固劑安放在鉆孔深部,慢速錨固劑安放在鉆孔淺部。當(dāng)快速錨固劑凝結(jié)后,慢速錨固劑尚未凝結(jié)時(shí)及時(shí)施加預(yù)緊扭矩,從而使得預(yù)緊力作用范圍比較大,形成的有效壓應(yīng)力厚度較大,同時(shí)錨固劑充填滿錨桿孔,將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結(jié)在一起,錨桿桿體受力對(duì)圍巖變形和離層很敏感,能夠及時(shí)抑制圍巖離層和滑動(dòng)。

結(jié)合漳村煤礦 2305瓦斯巷條件及全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),選擇全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固作為 2305瓦斯巷錨桿的錨固方式。

4.2 支護(hù)方案

根據(jù)理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果,確定巷道支護(hù)形式為：全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿、錨索組合支護(hù)。錨桿為 22號(hào)左旋無縱筋螺紋鋼,屈服強(qiáng)度580MPa,長(zhǎng)度為 2.4m,極限破斷載荷 280kN。全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固,設(shè)計(jì)預(yù)緊扭矩為 400N·m,組合構(gòu)件為厚度 4mm,寬 280mm,長(zhǎng)度 450mm的鋼護(hù)板與直徑 16mm,寬 220mm,長(zhǎng)度 3450mm的鋼筋梯梁配合使用。錨桿間排距為 1000mm×900mm。錨索采用 φ22mm強(qiáng)力錨索,長(zhǎng)度 6300mm,延伸率 7%,破斷力大于 560kN,錨索打設(shè)在巷中,排距 900mm,樹脂加長(zhǎng)錨固,設(shè)計(jì)預(yù)緊力為 250kN。2305瓦斯巷錨桿支護(hù)布置如圖 5所示。

5 礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了監(jiān)測(cè)巷道支護(hù)質(zhì)量,在 2305瓦斯巷內(nèi)布置了表面位移測(cè)站和錨桿 (索)測(cè)力計(jì),對(duì)巷道表面位移量及錨桿 (索)受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(1)巷道表面位移監(jiān)測(cè) 巷道表面位移觀測(cè)曲線如圖 6。在巷道掘進(jìn)和鄰近工作面回采期間,2305瓦排巷兩幫最大位移量為 600mm;頂?shù)装逡平孔畲鬄?95mm,從安裝的頂板離層儀觀測(cè)數(shù)值來看,頂板基本無離層現(xiàn)象。

巷道掘進(jìn)初期變形不大,兩幫移近量為125mm,但由于 2305瓦排巷鄰近的 2303工作面正在回采,臨近工作面動(dòng)壓影響很強(qiáng)烈,因此,2305瓦排巷在 2303工作面回采后礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,兩幫移近量增幅較大。

圖5 2305瓦斯巷錨桿支護(hù)布置

圖6 巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

同比原有類似條件巷道,采用高強(qiáng)錨桿頂板每排布置 4根 φ22-M24-2400mm錨桿,間排距為900mm×800mm,頂板每排布置 1根 φ17.8mm錨索,巷幫每側(cè)布置 4根 φ22-M24-2400mm錨桿。錨桿預(yù)緊力為 150N·m,錨索預(yù)緊力為 100kN。由于支護(hù)強(qiáng)度不高,在巷道施工和使用過程中,出現(xiàn)巷道收斂、變形,最大變形量達(dá)到 1200mm左右,個(gè)別地段出現(xiàn)了錨桿錨索斷裂、支護(hù)失效現(xiàn)象。

(2)錨桿受力監(jiān)測(cè) 錨桿受力如圖 7所示。從圖中可以得出,初始安裝后,錨桿預(yù)緊力為40kN以上,部分錨桿預(yù)緊力甚至達(dá)到 100kN,錨桿受力此后變化不大,基本趨于穩(wěn)定。這說明全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固錨桿有效控制了錨固區(qū)內(nèi)圍巖離層、滑動(dòng)、裂隙張開等擴(kuò)容變形,保證了錨固區(qū)圍巖的強(qiáng)度和完整性。錨固區(qū)圍巖的位移差很小,產(chǎn)生的只是整體性位移。

同時(shí),錨固區(qū)內(nèi)的完整性又保證了錨桿錨固力不降低,錨桿受力變化不大。

(3)錨索受力監(jiān)測(cè) 錨索受力監(jiān)測(cè)曲線如圖 8所示。錨索初始預(yù)緊力為 150kN,當(dāng)距掘進(jìn)頭距離為 42.3m時(shí),由于受相鄰工作面回采影響,錨索受力急劇增加,達(dá)到最大值,此后錨索受力基本穩(wěn)定在 250kN左右,說明本次試驗(yàn)中,錨索預(yù)緊力設(shè)計(jì)為 250kN是比較合理的。

圖7 錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線

圖8 錨索受力監(jiān)測(cè)曲線

6 結(jié)論

(1)全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)既具有端錨錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍大的優(yōu)點(diǎn),又具有全長(zhǎng)錨固錨桿對(duì)圍巖變形和離層敏感的優(yōu)點(diǎn),大大提高了錨桿支護(hù)的剛度,防止巷道圍巖的變形。

(2)全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道支護(hù)中,圍巖的強(qiáng)烈變形得到有效控制,巷道變形量比普通高強(qiáng)錨桿加長(zhǎng)錨固支護(hù)巷道減少 50%以上,是強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道的一種先進(jìn)支護(hù)方式。

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[責(zé)任編輯：林 健 ]

TD353.6

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1006-6225(2011)01-0057-03

2010-09-25

萬世文 (1967-),男,湖南雙峰人,高級(jí)工程師,在讀博士研究生,從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)和管理工作。