深部厚頂煤巷道高預(yù)應(yīng)力錨索梁支護(hù)優(yōu)化技術(shù)研究＊

王 琦 李海燕 江 貝 王德超 李為騰 李 智

（1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東省濟(jì)南市，250061；2.山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東省青島市，266590；3.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東省青島市，266590）

深部厚頂煤巷道高預(yù)應(yīng)力錨索梁支護(hù)優(yōu)化技術(shù)研究＊

王 琦1，2李海燕1江 貝3王德超1李為騰1李 智1

（1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東省濟(jì)南市，250061；2.山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東省青島市，266590；3.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東省青島市，266590）

趙樓煤礦3302軌道巷為埋藏千米的深井巷道，在原支護(hù)條件下頂板沉降量大，圍巖變形嚴(yán)重。針對(duì)此，采用鉆孔窺視儀及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)了巷道圍巖的破裂區(qū)域，并對(duì)松動(dòng)破壞規(guī)律進(jìn)行了分析。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，提出了高預(yù)應(yīng)力錨索梁支護(hù)優(yōu)化方案，利用離散元數(shù)值軟件UDEC對(duì)方案優(yōu)化前后的圍巖裂隙分布及錨桿（索）受力進(jìn)行了分析。數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，提高錨桿（索）預(yù)緊力可有效地控制錨固區(qū)內(nèi)頂板離層，增強(qiáng)頂板的完整性；高預(yù)應(yīng)力錨索梁支護(hù)方案顯著改善了巷道圍巖控制效果。

厚頂煤 深部巷道支護(hù) 松動(dòng)破壞圈 數(shù)值模擬 高預(yù)應(yīng)力錨索梁

巷道支護(hù)的效果是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。針對(duì)不同的地質(zhì)條件，探究經(jīng)濟(jì)合理有效的支護(hù)技術(shù)，對(duì)我國(guó)的煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。然而，隨著煤礦開采逐漸向深部延伸，“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境對(duì)深部煤巷的支護(hù)提出了更高的要求。單一錨桿、錨索等常規(guī)支護(hù)方式下，經(jīng)常出現(xiàn)錨桿拉斷或整體失效、錨索拉斷或整體滑落、頂板變形過大、局部頂板冒落等現(xiàn)象。針對(duì)單一支護(hù)方式存在的不足，錨網(wǎng)索、錨梁網(wǎng)索等聯(lián)合支護(hù)形式在深井復(fù)雜巷道中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的支護(hù)效果。本文在探測(cè)趙樓礦煤巷頂板松動(dòng)破壞范圍、分析其破壞規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用高預(yù)應(yīng)力錨索梁進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在趙樓礦3302軌道巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程地質(zhì)概況

趙樓煤礦3＃煤層埋深約990m，厚度5～8.5m，平均煤厚7.8m，煤層普氏系數(shù)f為0.8～2.3，平均1.6。3302工作面軌道巷沿煤層底板掘進(jìn)，為典型的深部厚頂煤巷道。巷道直接頂為粉砂巖，部分區(qū)段含有泥質(zhì)砂巖與泥巖互層，煤巖交界面粘結(jié)力低，離層明顯。地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料表明：該區(qū)地壓大，最大水平地應(yīng)力為36.4MPa。地層條件極為復(fù)雜，存在多處斷層構(gòu)造。在原支護(hù)條件下，巷道頂板控制效果不理想，頂板變形嚴(yán)重，網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯，部分區(qū)段頂板沉降量達(dá)到384mm，錨桿、錨索折斷現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

2 圍巖松動(dòng)破壞范圍探測(cè)

利用巷道松動(dòng)破壞范圍探測(cè)方法，根據(jù)煤巷掘進(jìn)進(jìn)度，分別采用鉆孔窺視儀和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)3302軌道巷進(jìn)行了3個(gè)斷面的圍巖破壞模式和松動(dòng)范圍探測(cè)。

2.1 鉆孔窺視儀探測(cè)結(jié)果

采用鉆孔窺視儀在3302軌道巷進(jìn)行了探測(cè)工作。根據(jù)提取的鉆孔內(nèi)視頻圖像，對(duì)孔壁裂隙、形態(tài)、數(shù)量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果顯示圍巖松動(dòng)破壞帶深度在2.6～3.2m之間，部分探測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 鉆孔裂隙及結(jié)構(gòu)面視頻截圖

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

采用美國(guó)勞雷SIR－3000地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)及400 MHZ天線在3302軌道巷進(jìn)行了3個(gè)斷面的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作。由于篇幅所限，現(xiàn)僅列出3＃斷面地質(zhì)雷達(dá)頂板橫向探測(cè)的雷達(dá)波形圖，見圖2。圖2中左側(cè)軸為時(shí)間，右側(cè)軸為深度，橫軸為移動(dòng)距離，白色線為松動(dòng)破壞分界線，圍巖松動(dòng)破壞帶深度在2.8～3.1m之間。

圖2 3＃斷面頂板雷達(dá)波形圖

2.3 圍巖破壞規(guī)律

根據(jù)鉆孔窺視儀和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，典型監(jiān)測(cè)斷面（1＃、2＃斷面）圍巖內(nèi)部最后的裂隙帶和松動(dòng)破壞區(qū)域分布如圖3所示，用粗線包圍起來(lái)的破壞嚴(yán)重區(qū)域即為松動(dòng)破壞圈。

圖3 監(jiān)測(cè)斷面圍巖破裂區(qū)分布

根據(jù)兩種儀器探測(cè)結(jié)果，巷道圍巖松動(dòng)破壞圈深度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 巷道圍巖松動(dòng)破壞深度統(tǒng)計(jì)

由表1可知，采用鉆孔窺視儀與地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合的方式探測(cè)軌道巷頂板及兩幫破壞規(guī)律如下：

（1）圍巖由表及里破壞程度依次減弱，并形成多個(gè)破裂區(qū)，其中前兩個(gè)破壞區(qū)破壞嚴(yán)重，是傳統(tǒng)的破壞松動(dòng)圈，對(duì)巷道穩(wěn)定性影響較大，為重點(diǎn)支護(hù)對(duì)象。

（2）頂板松動(dòng)破壞圈范圍大于兩幫，最大破壞深度3.1m，最小2.65m，平均2.71m，兩幫煤體破壞深度平均1.9m。

（3）松動(dòng)破壞圈范圍與頂煤厚度和煤巖參數(shù)有關(guān)，頂煤較厚時(shí)松動(dòng)破壞圈也相應(yīng)增大。

3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 原支護(hù)方案

頂部支護(hù)采用錨網(wǎng)＋鋼帶＋錨索的錨梁網(wǎng)索支護(hù)形式，幫部采用錨網(wǎng)支護(hù)，并鋪設(shè)鋼筋梯護(hù)表。頂部采用?22mm×2400mm KMG500左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，預(yù)緊力50kN，幫部采用?20mm×2000mm的KMG400左旋無(wú)縱筋全螺紋錨桿，預(yù)緊力30kN，頂板及兩幫錨桿間排距為800mm×800mm；錨索型號(hào)為?17.8mm×5800mm，預(yù)緊力100kN，間排距1800mm×1600mm。采用U型鋼帶支護(hù)頂板，長(zhǎng)度為4300mm，鋼帶寬為140 mm，厚為10mm。

3.2 高預(yù)應(yīng)力錨索梁方案

研究表明，錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散效果在煤巷支護(hù)中起決定性的作用，根據(jù)巷道地質(zhì)條件確定合理的預(yù)應(yīng)力，并使預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。提高原支護(hù)方案中錨桿錨索預(yù)應(yīng)力，能夠提高圍巖峰后強(qiáng)度與自承能力，改善錨索在巷道頂板中的擴(kuò)散效果。根據(jù)3302軌道巷地質(zhì)資料及圍巖松動(dòng)破壞范圍探測(cè)，采用高預(yù)應(yīng)力錨索梁方案進(jìn)行巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

高預(yù)應(yīng)力錨索梁方案：頂部支護(hù)采用錨網(wǎng)＋鋼帶＋錨索＋礦用工字鋼的支護(hù)形式，錨桿長(zhǎng)度與型號(hào)均與原支護(hù)相同，頂錨桿預(yù)緊力提高為70kN，幫錨桿預(yù)緊力提高為50kN，錨索型號(hào)為?22mm×6200mm，間排距為1380mm×1600mm，工字鋼與錨索聯(lián)合支護(hù)，預(yù)緊力提高為150kN。

3.3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)趙樓煤礦實(shí)際工程概況，采用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件，取典型地質(zhì)斷面分別對(duì)原支護(hù)方案和高預(yù)應(yīng)力錨索梁方案進(jìn)行對(duì)比研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤巖試樣力學(xué)實(shí)驗(yàn)及參數(shù)反演，結(jié)合地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，模型中巖體材料模擬采用摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，采用高預(yù)應(yīng)力錨索梁方案優(yōu)化后的圍巖裂隙分布及錨桿（索）受力分布見圖4。

圖4 優(yōu)化方案圍巖裂隙分布及錨桿（索）受力分布

通過對(duì)比分析UDEC計(jì)算結(jié)果可得出如下結(jié)論：

（1）高預(yù)應(yīng)力錨索梁方案對(duì)頂板離層和巷道圍巖的控制效果明顯優(yōu)于原支護(hù)方案，巷道頂板沉降量和兩幫移近量明顯減少。

（2）高預(yù)應(yīng)力錨索梁方案通過錨索與工字鋼的聯(lián)合作用，增大了錨索的應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，使上覆巖層形成連續(xù)受壓區(qū)，擴(kuò)大了巷道頂部受壓區(qū)域面積，將受壓區(qū)域擴(kuò)大至巷道正上方之外的區(qū)域，有效防止了巷道頂板整體跨落。

（3）通過增加錨桿預(yù)應(yīng)力消除了上覆巖層的松散變形和頂板中部的拉伸破壞，有效控制了錨固區(qū)范圍內(nèi)的頂板離層，形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)；通過高預(yù)應(yīng)力錨索的補(bǔ)強(qiáng)作用，將錨固區(qū)內(nèi)的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)固結(jié)在深部穩(wěn)定巖層中，有效保證了頂板的整體穩(wěn)定性。

4 優(yōu)化方案實(shí)施及監(jiān)測(cè)

為檢驗(yàn)優(yōu)化后的支護(hù)方案在巷道支護(hù)中的實(shí)際控制效果，在3302軌道巷內(nèi)實(shí)施了高應(yīng)力錨索梁方案，并進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，兩類支護(hù)方案巷道表面位移隨掘進(jìn)時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)曲線見圖5。從圖5中可以看出，支護(hù)方案優(yōu)化后的巷道表面位移明顯減少，頂板和兩幫未出現(xiàn)大的下沉和幫部?jī)?nèi)移現(xiàn)象，最大頂板沉降量和兩幫移近量分別為187mm和225 mm，頂板及兩幫變形量均在控制范圍內(nèi)，觀測(cè)結(jié)果表明，采用新的支護(hù)方案后，巷道收斂明顯變小，圍巖整體穩(wěn)定性良好。

圖5 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）通過鉆孔窺視儀和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)深部厚頂煤巷道圍巖的破壞規(guī)律進(jìn)行探測(cè)，得到圍巖由表及里形成多個(gè)破裂區(qū)，前兩個(gè)破壞區(qū)破壞嚴(yán)重，為松動(dòng)破碎圈。松動(dòng)破碎圈都分布在煤層和底板泥巖中，其中頂板破壞平均深度2.71m，兩幫煤體破壞深度平均1.9m。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果顯示高預(yù)應(yīng)力錨索梁方案可有效增大錨索的應(yīng)力擴(kuò)散效果，減小塑性區(qū)面積，有效防止了巷道頂板整體跨落；明顯地提高了錨桿（索）預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖控制。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明，采用高預(yù)應(yīng)力錨索梁方案進(jìn)行支護(hù)的巷道收斂明顯減小，頂板及兩幫未出現(xiàn)大的下沉和兩幫內(nèi)移現(xiàn)象，巷道整體支護(hù)效果良好。

［1］ 韋玉沛，于士芹.深部復(fù)雜條件下沿空掘巷錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)研究［J］.中國(guó)煤炭，2005（12）

［2］ 王旭宏，王玉懷，夏歡閣等.復(fù)雜條件下回采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究［J］.中國(guó)煤炭，2010（3）

［3］ 康紅普，司林坡，蘇波.煤巖體鉆孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)方法及應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010（2）

［4］ 宋宏偉，王闖，賈穎絢.用地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試圍巖松動(dòng)圈的原理與實(shí)踐［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（4）

［5］ 康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009（9）

［6］ 張鎮(zhèn)，康紅普，王金華.煤巷錨桿－錨索支護(hù)的預(yù)應(yīng)力協(xié)調(diào)作用分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010（6）

Optimization of high－prestressed anchor cable beam supporting technology in deep coal roadway with thick top－coal

Wang Qi1，2，Li Haiyan1，Jiang Bei3，Wang Dechao1，Li Weiteng1，Li Zhi1
（1.Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Ji＇nan，Shandong 250061，China；2.College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China；3.College of Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China）

No.3302roadway in Zhaolou coal mine belongs to the deep roadway with the depth of 1000m.Because of the large settlement under the original supporting conditions，the surrounding rock was deformed seriously.The fractured zones of surrounding rock were monitored by the borehole camera and the ground penetrating radar，and the loosening and failure laws were analyzed.Based on the monitoring data，the high－prestressed anchor cable beam was proposed as an optimized supporting plan.The crack distribution of surrounding rock and the forces on the anchor bolt or cable before and after the support optimization were analyzed using Universal Distinct Element Code（UDEC）software.The results from numerical simulation and the field monitoring data showed that the increase of pre－stress on the anchor bolt or cable could validly control the roof separation in the anchorage zone and maintain the integrity of roof，indicating that the high－prestressed anchor cable beam could effectively improve the control effect on the surrounding rock in roadways.

thick top－coal，support for deep roadway，loose circle，numerical simulation，high－prestressed anchor cable beam

TD353

B

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（50904043）；山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ZR2009FM009）

王琦（1983－），男，山東臨沂人，博士研究生，講師，主要從事地下工程支護(hù)材料及技術(shù)方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）