沖擊載荷影響松散破碎全煤巷道支護技術(shù)研究與實踐

王子越，褚曉威

(1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

潞安新疆煤化工集團二礦W4205工作面為下山采區(qū)西翼第5個回采工作面，東鄰軌道及膠帶下山，西部為F2逆斷層，北部為W4204采空區(qū)，南部為未采實體煤區(qū)段。埋深316.1～350.3m，采4號煤層，平均厚度7.6m。W4205運輸巷布置在未采區(qū)域，為4.2m×3.1m的實體煤矩形巷道，沿4號煤層底板掘進。

巷道原有支護為錨桿索聯(lián)合支護，由于煤體松散破碎且受較強沖擊載荷影響，且施工隊伍對錨桿支護的認識和施工熟練程度以及支護參數(shù)等方面的問題，巷道支護效果差，頂板下沉、兩幫內(nèi)移量大，圍巖碎脹嚴重，出現(xiàn)多處“網(wǎng)兜”，嚴重影響了巷道有效斷面。為保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，在巷道圍巖出現(xiàn)較大且持續(xù)變形的地段采用U型鋼進行二次架棚被動支護，支護成本和工程量大幅度增加。為了提高支護質(zhì)量和速度，節(jié)約支護成本，本文在地質(zhì)力學參數(shù)分析、理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進行了高預(yù)應(yīng)力、高強度、高剛度［1－3］的支護技術(shù)研究。

1 巷道圍巖變形機理分析

1.1 地質(zhì)力學參數(shù)分析

地質(zhì)力學參數(shù)是分析圍巖變形機理，確定巷道支護方案的基礎(chǔ)。為了全面掌握W4205運輸巷地質(zhì)力學特征，對其地應(yīng)力、煤巖體強度和圍巖結(jié)構(gòu)進行了測試。鉆孔窺視結(jié)果表明，W4205運輸巷頂部0～4.5m范圍內(nèi)為煤體，4.5m往上以泥巖、砂巖、砂礫巖為主，在1.9～2.3m，2.7～3m，4.5～4.8m范圍內(nèi)有明顯環(huán)向裂隙，圍巖完整性較差。W4205巷道頂板局部段圍巖鉆孔窺視結(jié)果見圖1。

W4205巷道煤巖體強度測試結(jié)果顯示，頂板巖層平均抗壓強度為72MPa，巷幫10m范圍內(nèi)圍巖強度原位測試結(jié)果見圖2，煤體抗壓強度平均值為19.13MPa。

圖2 巷幫10m范圍內(nèi)圍巖強度原位測試結(jié)果

地應(yīng)力測試結(jié)果為 σH=9.50MPa，σh= 5.17MPa，σv=9.23MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N48.4°W。從量值上劃分屬于中等偏低應(yīng)力值。

根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果，巷道在掘進至877.1m位置時，將揭露落差約為4.0m的DF63正斷層，在開切眼區(qū)域，會進入F2逆斷層下盤的影響范圍內(nèi)，預(yù)計煤體會較破碎。

經(jīng)相關(guān)機構(gòu)測定，4號煤層煤樣抗壓強度、沖擊能量指數(shù)、動態(tài)破壞時間顯示煤樣為弱沖擊傾向性，彈性能量指數(shù)顯示煤樣為強沖擊傾向性，綜合判定4號煤層具有弱沖擊傾向性。根據(jù)4號煤層頂板巖樣測定結(jié)果判定頂板為弱沖擊傾向性。

總體而言，W4205巷道圍巖強度較高，地應(yīng)力水平強度中等偏低，但圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，煤質(zhì)較脆且極易風化，巷道開挖后，煤體變的極其破碎。在掘進機割煤過程中，自迎頭往后3排范圍內(nèi)，“煤炮”不斷，巷道受較強沖擊載荷影響。

1.2 巷道圍巖破壞機理分析

W4205運輸巷為典型的松散破碎全煤巷道。巷道埋深較淺，受地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力影響較小，巷道壓力主要來源于煤體的碎脹變形壓力［4－5］。4號煤體強度較高，平均值為19.13MPa，但煤質(zhì)較脆且層理、節(jié)理裂隙發(fā)育，極易風化。巷道開掘后，圍巖處于卸壓狀態(tài)，再加上風化作用的影響，圍巖變得極其破碎。沖擊載荷形成沖擊波對表面圍巖的拉伸作用進一步加劇了圍巖的破碎。

在掘進過程中，由于圍巖松軟破碎，頂板冒落、兩幫片幫嚴重，巷道超寬超高，個別地段超高達到2m，巷道成形差，煤壁凹凸不平。鉆孔過程中，鉆孔開口端煤塊震動破碎，以至錨桿托盤安裝后無法與煤壁貼緊，預(yù)應(yīng)力無法有效施加。

支護完成后，在沖擊載荷作用下，破碎區(qū)不斷發(fā)展，當破碎區(qū)擴展到錨桿托盤部位時，托盤后煤體破碎，錨桿卸壓。更為嚴重的是煤體破碎掉落，致使托盤后空，錨桿預(yù)緊力完全喪失［6］，失去對圍巖的主動支護作用。

綜合以上分析，沖擊載荷影響松散破碎全煤巷道支護的關(guān)鍵在于以下3個方面:

(1)采取高預(yù)應(yīng)力、高強度、高剛度支護，一次支護到位，及時給圍巖提供足夠支護抗力，控制圍巖破碎進一步發(fā)展。

(2)擴大支護護表面積，對巷道表面提供足夠的支護抗力，防止錨桿托盤后煤體壓碎甚至后空造成的預(yù)應(yīng)力損失。

(3)采取適當?shù)穆?lián)合支護方式，提高支護整體性，以加強對沖擊載荷的承受能力。

2 支護方案

2.1 W鋼護板作用分析

W鋼護板是一種新型錨桿支護組合構(gòu)件形式，在W鋼帶的基礎(chǔ)上改進而來。與W鋼帶相比，其長度較小，安裝方便，并且增加了橫向的2條凹槽，提高了W鋼護板橫向的彎矩。

W鋼護板的支護作用主要表現(xiàn)在以下4個方面［7－8］:

(1)擴散錨桿預(yù)應(yīng)力和工作阻力影響區(qū)域與托盤相比，W鋼護板面積較大，可以擴大錨桿作用范圍，使錨桿預(yù)應(yīng)力和工作阻力有效擴散到錨桿間圍巖中。

(2)支護巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用W鋼護板護表面積大、抗拉強度高、抗彎剛度大，能有效支護巷道表面巖層并對錨桿間的圍巖提供壓應(yīng)力，抑制淺部巖層離層、裂隙張開，保持圍巖完整性;抑制錨桿間巖層彎曲下沉，減小巖層彎曲引起拉伸破壞;對巷道表面圍巖施加有效壓應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

(3)減少錨桿預(yù)應(yīng)力損失 托盤不與煤壁接觸，避免了托盤對煤壁的切割。W鋼護板護表面積大，對于破碎圍巖，可以防止松動巖塊掉落，保持錨桿尾部圍巖的完整性，避免錨桿托盤后空現(xiàn)象;可以降低錨桿尾部附近的應(yīng)力集中，減少圍巖蠕變，降低預(yù)應(yīng)力損失。

結(jié)合受沖擊載荷影響松散破碎全煤巷道圍巖破壞機理和W鋼護板的結(jié)構(gòu)特點，采用W鋼護板作為支護方案的組合構(gòu)件。

2.2 方案數(shù)值模擬

基于W4205運輸巷地質(zhì)力學測試結(jié)果，采用有限差分軟件FLAC3D，遵循高預(yù)應(yīng)力、高強度、高剛度支護原則，建立數(shù)值計算模型，對W4205運輸巷正巷進行了5個方案的模擬計算，分別為:

方案一:頂板錨桿間距800，兩幫錨桿800;錨桿排距800，錨索排距2000。

方案二:頂板錨桿間距900，兩幫錨桿900;錨桿排距900，錨索排距2000。

方案三:頂板錨桿間距900，兩幫錨桿1100;錨桿排距1000，錨索排距2000。

方案四:頂板錨桿間距1100，兩幫錨桿1100;錨桿排距1000，錨索排距2000。

方案五:無支護。

本構(gòu)模型采用摩爾庫侖模型，錨桿采用FLAC3D中內(nèi)置的cable單元進行模擬，模型的邊界條件如圖3:模型底端z向位移為零，左右邊界x向位移為零，前后邊界y向位移為零。

圖3 模型邊界條件

模型中圍巖物理力學參數(shù)見表1。

表1 圍巖物理力學參數(shù)

計算結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，當錨桿間排距較小時，控制變形有一定的效果，間排距變大時，變形隨之變大;但錨桿間排距過小會導(dǎo)致支護成本增加、掘進速度變慢，因此應(yīng)取合理的支護密度，使得支護經(jīng)濟合理，而變形量又在可控范圍內(nèi)。結(jié)合表2中變形量數(shù)據(jù)，選擇方案三作為最佳方案。圖4為方案三的模擬結(jié)果。

表2 各方案位移量比較

圖4 最優(yōu)支護方案模擬

2.3 巷道支護方案

支護方案見圖5，支護參數(shù)如下:

(1)錨桿 頂板錨桿為高強度左旋螺紋鋼錨桿，長度為2.4m，直徑20mm，樹脂加長錨固，預(yù)緊扭矩應(yīng)達到300N·m，但禁止超過450N·m。兩幫錨桿為圓鋼錨桿，長度為2m，直徑20mm，樹脂端部錨固，預(yù)緊力矩應(yīng)達到200N·m，但禁止超過350 N·m。錨桿垂直煤壁打設(shè)。

(2)錨索 錨索材料為φ18.9mm，1×7股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度6300mm，鉆孔直徑28mm，采用1支MSK2335，2支MSZ2360樹脂錨固劑錨固，錨固長度為1920mm，錨索初次張拉達到250kN。

(3)網(wǎng)片 采用金屬網(wǎng)護頂護幫，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格4600mm×1100mm，網(wǎng)片搭接100mm，雙邊逐孔聯(lián)接。

(4)W鋼護板 寬280mm，厚4mm，長度為450mm，中間孔規(guī)格為φ40mm，抗拉強度不低于375MPa。

圖5 錨桿支護布置

3 礦壓監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

W鋼護板組合錨桿索支護方案實施于井下后，對巷道表面位移、錨桿受力和錨索受力進行了監(jiān)測，見圖6，圖7。巷道頂板下沉量15mm，兩幫移近34mm，巷道總體變形量不大。

圖6 錨桿受力監(jiān)測

圖7 錨索受力監(jiān)測

錨桿最大受力達到70kN，在距迎頭50m后受力穩(wěn)定，錨索在距迎頭10m的范圍內(nèi)受力急劇增加，隨后一直穩(wěn)定在220kN左右。錨桿受力在距迎頭較近的范圍有較大上升后一直保持恒定，沒有出現(xiàn)預(yù)緊力損失情況，說明W鋼護板后煤體保持完整且蠕變較小。

在采取了W鋼護板組合錨桿索支護后，巷道圍巖完整、穩(wěn)定，強烈變形得到有效控制，支護質(zhì)量大幅提升，說明高預(yù)應(yīng)力強力支護適用于沖擊載荷影響松軟破碎實體煤巷道的支護。

4 結(jié)論

(1)沖擊載荷影響松散破碎軟巖巷道支護關(guān)鍵在于及時強力支護，一次支護到位;選擇合適組合構(gòu)件，擴大護表面積，避免錨桿尾部煤體壓碎蠕變，防止預(yù)應(yīng)力損失;加強支護整體性，提高對沖擊載荷的承受能力。

(2)W鋼護板強度高，抗彎抗拉能力強，與煤壁接觸面積大，適用于松散破碎全煤巷道的支護。

(3)以W鋼護板為組合構(gòu)件的錨桿索聯(lián)合支護方案實施于井下后，巷道一次支護到位，巷道圍巖變形得到有效控制，取得較好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

［1］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［2］王金華.我國煤巷錨桿支護技術(shù)的新發(fā)展［J］.煤炭學報，2007，32(2):113－118.

［3］馮京波.松散厚煤層全煤巷沿空掘巷錨索支護技術(shù)［J］.煤炭科學技術(shù)，2008，36(2):23－26.

［4］申志平，何 杰，吳擁政.潞寧礦區(qū)松軟特厚煤巷錨桿支護技術(shù)研究與實踐［J］.煤礦開采，2013，18(4):58－61.

［5］林 健，趙英利，吳擁政，等.松軟破碎煤體小煤柱護巷高預(yù)緊力強力錨桿錨索支護研究與應(yīng)用［J］.煤礦開采，2007，12(3):47－50.

［6］馬長樂，吳擁政，何 杰.預(yù)應(yīng)力損失對高預(yù)應(yīng)力全錨索支護技術(shù)的影響［J］.煤礦開采，2012，17(2):61－63，72.

［7］李建波.鋼帶的力學性能與支護效果研究［D］.北京:煤炭科學研究總院，2008.

［8］康紅普，吳擁政，李建波.錨桿支護組合構(gòu)件的力學性能與支護效果分析［J］.煤炭學報，2010，35(7):1058－1065.