強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道受力不對(duì)稱特性及幫強(qiáng)控制研究

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道受力不對(duì)稱特性及幫強(qiáng)控制研究

何杰

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

針對(duì)五陽煤礦7603運(yùn)輸巷圍巖工程環(huán)境，基于相鄰工作面回采后圍巖受力和變形的不對(duì)稱性特性，提出幫整體強(qiáng)化支護(hù)理念，從強(qiáng)化弱幫、建立強(qiáng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)體和提高整體支護(hù)剛度3方面設(shè)計(jì)控制體系，并確定了幫強(qiáng)控制方案，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。工程實(shí)踐表明，幫整體強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)有效地解決了該條件下巷道維護(hù)難題，保證了巷道穩(wěn)定。

強(qiáng)烈動(dòng)壓；受力不對(duì)稱；弱幫強(qiáng)化；支護(hù)剛度；強(qiáng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)

煤礦開采銜接緊張?jiān)斐擅旱V必須沿著不穩(wěn)定采空區(qū)的邊緣進(jìn)行下個(gè)工作面回采巷道掘進(jìn)，受不穩(wěn)定采空區(qū)強(qiáng)烈動(dòng)壓作用，加上圍巖破碎、埋深大、保護(hù)煤柱尺寸不合理等多種因素的影響，造成圍巖受力環(huán)境復(fù)雜，與普通巷道相比，圍巖受力變形具有明顯的不對(duì)稱特性，靠采空側(cè)巷幫變形非常大，底鼓量大。圍巖受力變形不對(duì)稱對(duì)巷道穩(wěn)定性控制提出更高的要求，而常規(guī)的巷道支護(hù)方式控制效果較差，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)類似條件下巷道受力變形進(jìn)行了一些研究[1-3]，但強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖受力變形不對(duì)稱特性及控制技術(shù)還需要進(jìn)一步探討，本文以五陽煤礦7603工作面運(yùn)輸巷為工程背景，對(duì)上述問題進(jìn)行展開分析。

1 圍巖工程環(huán)境

五陽煤礦7603運(yùn)輸巷緊鄰7605工作面，7605工作面未回采完畢時(shí)，7603運(yùn)輸巷已開始掘進(jìn)，7603運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間受7605工作面不穩(wěn)定采空區(qū)強(qiáng)烈動(dòng)壓影響，埋深約550m，7603運(yùn)輸巷沿煤層頂板掘進(jìn)，與7605回風(fēng)巷之間保護(hù)煤柱為30m，采用跟掘(從切眼向外掘進(jìn))，煤層厚度6.2m，頂?shù)装逯饕獮槟鄮r和砂巖互層結(jié)構(gòu)，頂板依次為3.2m厚泥巖、2.7m厚細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖、3.4m厚泥巖和1.2m厚細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，底板為泥巖和細(xì)粒砂巖。地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果顯示，最大水平主應(yīng)力為15.16MPa，最小水平主應(yīng)力為8.30MPa，垂直主應(yīng)力為 11.25MPa，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力方向?yàn)镹84.8°E。

2 圍巖受力變形不對(duì)稱特性分析

根據(jù)7603運(yùn)輸巷頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)，如表1所示，建立數(shù)值力學(xué)模型，模擬分析7603運(yùn)輸巷受7605工作面回采影響下，對(duì)稱支護(hù)和非對(duì)稱幫強(qiáng)支護(hù)2種支護(hù)方式下圍巖應(yīng)力和變形破壞狀況。對(duì)稱支護(hù)方案：錨桿桿體為φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號(hào)為500號(hào)，長(zhǎng)度2.4m，頂錨桿間距800mm，每排7根，幫錨桿排距900mm，每排每幫4根桿，排距900mm。錨索材料為φ22mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度7300mm，頂板每2排錨桿打5根錨索，排距1800mm。非對(duì)稱支護(hù)方案：在對(duì)稱支護(hù)基礎(chǔ)上對(duì)采空側(cè)幫進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)，靠近采空側(cè)幫錨索采用三花布置，外側(cè)幫每2排錨桿打設(shè)3 根錨索，錨索長(zhǎng)度為5300mm，間距1800mm，排距1800mm，上部錨索距離頂板750mm，下部錨索距離底板950mm。由于篇幅有限，模擬結(jié)果選取7605工作面回采后，2種支護(hù)方案下7603運(yùn)輸巷應(yīng)力和塑性破壞區(qū)破壞情況進(jìn)行分析，模擬結(jié)果見圖1～圖3。

表1 數(shù)值計(jì)算模型的巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 垂直應(yīng)力分布

圖2 水平應(yīng)力分布

圖3 圍巖塑性破壞區(qū)分布

(1)7605工作面回采后，工作面頂、底板處應(yīng)力得到釋放，在煤柱側(cè)形成應(yīng)力集中，最大垂直應(yīng)力33MPa，最大水平應(yīng)力29MPa，垂直應(yīng)力集中系數(shù)2.9，水平應(yīng)力集中系數(shù)約2.0，垂直應(yīng)力影響明顯高于水平應(yīng)力，隨著距工作面的距離增大應(yīng)力集中程度遞減，受回采動(dòng)壓影響，無支護(hù)下7603運(yùn)輸巷保護(hù)煤柱整體性被破壞。

(2)受7605工作面回采影響，7603運(yùn)輸巷受力和變形破壞具有明顯不對(duì)稱性，圍巖塑性破壞區(qū)范圍明顯高于實(shí)體煤幫，這與應(yīng)力的分布狀態(tài)相對(duì)應(yīng)；靠近煤柱側(cè)應(yīng)力集中明顯高于實(shí)體煤側(cè)，尤其是水平應(yīng)力較明顯。

(3)比較2種支護(hù)方式可知，非對(duì)稱幫強(qiáng)支護(hù)能夠明顯改善圍巖受力和破壞狀態(tài)，使煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布更均勻，縮小了煤柱應(yīng)力集中和圍巖破壞范圍，降低頂?shù)装逅綉?yīng)力量值，對(duì)稱支護(hù)對(duì)煤柱應(yīng)力和圍巖破壞狀態(tài)改善效果差。

3 幫整體強(qiáng)化體系

3.1幫整體強(qiáng)化支護(hù)理念

提高巷道幫部支護(hù)強(qiáng)度可增強(qiáng)幫部承載力，提高幫部結(jié)構(gòu)體與頂板結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度和剛度比值，增強(qiáng)頂板巖層穩(wěn)定性，形成強(qiáng)幫護(hù)頂良性作用機(jī)制，使幫部成為頂板可靠支撐，使巷道結(jié)構(gòu)體處于穩(wěn)定狀態(tài)[4]。由于巷道中底板支護(hù)施工難度大，尤其對(duì)于強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道而言，多數(shù)巷道底鼓嚴(yán)重，采用強(qiáng)幫不僅能夠護(hù)頂，同時(shí)能夠改善和平衡底板應(yīng)力分布，減輕巷道底板的變形，通過強(qiáng)幫達(dá)到護(hù)頂、底的效果，整體提高巷道圍巖的承載能力，達(dá)到整體強(qiáng)化的目的。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)強(qiáng)化弱幫 對(duì)于強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道，采空側(cè)受力大，保護(hù)煤柱的承載能力大，而煤體相對(duì)破碎，就巷道支護(hù)強(qiáng)度而言，可稱為弱幫，提高弱幫支護(hù)強(qiáng)度和剛度，消減弱幫對(duì)巷道整體支護(hù)強(qiáng)度的影響，避免弱幫成為支護(hù)失效突破口，采用弱幫補(bǔ)強(qiáng)錨索，并施加較大的預(yù)緊力，改善以往單純依靠錨桿護(hù)幫的理念，擴(kuò)大弱幫支護(hù)區(qū)域，充分調(diào)動(dòng)深部圍巖承載能力，使淺部圍巖和深部圍巖成為一個(gè)整體，使巷道整體受力和支護(hù)保持均衡，保證圍巖完整性。

(2)強(qiáng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)體 由于強(qiáng)烈的動(dòng)壓影響，不僅需要消除弱幫的影響，還需要大幅度提高巷道整體的支護(hù)強(qiáng)度，可采用2種方式：一是對(duì)支護(hù)材料需要整體的升級(jí)，將采用強(qiáng)力錨桿和錨索；二是優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，建立強(qiáng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)體。采用高效預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散型護(hù)表構(gòu)件，將單個(gè)的錨桿、錨索形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)體，采用錨索配套鋼筋托梁，錨桿配套W鋼護(hù)板和鋼筋托梁，同時(shí)盡量保證支護(hù)構(gòu)件之間的強(qiáng)度匹配性，保證強(qiáng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)體的實(shí)現(xiàn)。

(3)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度 預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散是高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的核心[5-6]，為保證預(yù)緊力的施加及有效擴(kuò)散，除了采用高效預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散型護(hù)表構(gòu)件，改變以往單純錨桿、錨索現(xiàn)狀，需要大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)剛度，考慮預(yù)應(yīng)力的損失[7]，將錨索初始張拉力增加為300kN，錨桿預(yù)緊扭矩提高至400N·m。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 控制方案及參數(shù)

依據(jù)幫整體強(qiáng)化理念及支護(hù)體系，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)具體控制方案在7603運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，巷道斷面為矩形，寬5.5m，高3.5m，錨桿桿體為鋼號(hào)500號(hào)、φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)2400mm，錨桿配套W鋼護(hù)板和鋼筋托梁使用，錨桿排距900mm，頂錨桿間距800mm，兩幫錨桿間距為900mm，W鋼護(hù)板厚度5mm，寬280mm，長(zhǎng)度450mm，錨桿配套鋼筋托梁采用φ16mm鋼筋焊接而成，寬210mm。錨索材料為φ22mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索破斷載荷550kN，頂錨索長(zhǎng)7300mm，幫錨索長(zhǎng)5300mm，錨索配套鋼筋托梁采用φ20mm鋼筋焊接而成，寬220mm，頂板錨索采用五花布置，每2排錨桿打5根錨索，居中布置，排距1800mm，間距為1600mm和1800mm，靠近采空側(cè)幫錨索采用三花布置，每2排打設(shè)3 根錨索，排距1800mm，錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到400N·m，禁止超過550N·m。錨索預(yù)緊力初始張拉要求達(dá)到300kN，損失后達(dá)到250kN。具體支護(hù)方案見圖4所示。

圖4 7603運(yùn)輸巷錨桿錨索支護(hù)

4.2 控制效果分析

為了檢驗(yàn)幫控制技術(shù)的高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的控制效果，并改進(jìn)和優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)，在巷道中布置了圍巖變形、頂板離層和錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)站。近2個(gè)月的觀測(cè)結(jié)果顯示，巷道采空側(cè)移近量、實(shí)體煤側(cè)移近量、頂板下沉量和底鼓量分別為245mm，65mm，28mm和230mm，巷道最終總離層量分別為28mm和33mm，實(shí)體煤側(cè)幫錨桿平均受力66kN，頂部錨桿平均受力70kN，采空側(cè)側(cè)幫錨桿平均受力81kN，頂板錨索受力為253kN和246kN，采空側(cè)幫錨索受力214kN和223kN，無錨桿錨索破斷現(xiàn)象。綜合以上分析可知，錨桿錨索的受力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，巷道圍巖變形在控制范圍內(nèi)，較類似條件下巷道整體變形量大幅度降低，控制方案有效地保證了巷道穩(wěn)定，其中巷道表面位移、錨桿、錨索受力如圖5和圖6所示。

圖5 表面位移變化曲線

圖6 錨桿受力變化曲線

5 結(jié)論

(1)研究了強(qiáng)烈動(dòng)壓條件下巷道圍巖應(yīng)力和變形的不對(duì)稱特性，分析了對(duì)稱和非對(duì)稱支護(hù)方式下巷道控制效果，幫非對(duì)稱強(qiáng)支護(hù)能夠改善圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，使圍巖應(yīng)力分布更均勻，縮小應(yīng)力集中范圍和圍巖破壞區(qū)域，有利于保證巷道受力與支護(hù)的平衡。

(2)提出了幫整體強(qiáng)化支護(hù)理念，從強(qiáng)化弱幫、建立強(qiáng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)體和提高支護(hù)體剛度3個(gè)方面設(shè)計(jì)控制體系，實(shí)現(xiàn)提高整體支護(hù)能力的目的。

(3)基于幫整體強(qiáng)化支護(hù)體系，進(jìn)行了強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提出了具體控制方案和參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，控制方案能夠有效地控制巷道圍巖變形，保證巷道的穩(wěn)定。

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[責(zé)任編輯：姜鵬飛]

Stress Dissymmetry Characteristic of Roadway Influenced by StrongDynamical Pressure and Coal-wall Control

HE Jie

(CoalMining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

For surrounding rock engineering environment of 7603 transportation roadway in Wuyang Colliery, a concept of wholly reinforcement supporting coal-wall was put forward on the basis of surrounding rock stress and deformation dissymmetry characteristic after adjacent face's mining which designed control system from reinforcing weak coal-wall, constructing powerful supporting structure and improving whole supporting stiffness.Coal-wall reinforcement projection was determined and applied in the roadway.Practice showed that the projection effectively solved the difficult problem of supporting roadway under this condition and kept the roadway stable.

strong dynamical pressure；stress dissymmetry；reinforcing weak coal-wall；supporting stiffness；powerful supporting structure

2014-06-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.016

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1261211)；天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部科技創(chuàng)新基金(KJ-2014-TDKC-07)

何 杰(1984-)，男，河南長(zhǎng)葛人，碩士，助理研究員，從事礦山壓力與控制、巷道支護(hù)技術(shù)和理論研究工作。

何 杰.強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道受力不對(duì)稱特性及幫強(qiáng)控制研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：60-63.

TD353

A

1006-6225(2014)06-0060-04