不同最大水平主應力方向下巷道的錨桿支護技術(shù)研究

陳廣帥，張小康

(霍州煤電集團責任有限公司技術(shù)研究院，山西霍州031400)

1 地質(zhì)力學測試與分析

在李雅莊礦六采區(qū)進行了3個測站的地質(zhì)力學測試，第1測站在六采區(qū)上部6091巷內(nèi)，第2測站布置在軌道巷中，距第1測站1500m，第3個測站布置在6081巷，測站具體位置如圖1所示。

第1測站最大水平主應力為20.91MPa，最小水平主應力為11.44MPa，垂直應力為12.44MPa，最大水平主應力方向為N19.0°W。第2測站最大水平主應力為12.04MPa，最小水平主應力為6.40MPa，垂直應力為14.49MPa，最大水平主應力方向為N34.9°E。第3測站最大水平主應力為14.62MPa，最小水平主應力為8.40MPa，垂直應力為15.03MPa，最大水平主應力方向為N57.2°E。第3測站邊上20m處有落差11m的大斷層，測試結(jié)果反映了斷層附近地應力有較大的變化;第1測站周邊沒有地質(zhì)構(gòu)造的影響，測試結(jié)果能夠比較好地反映原巖應力。當六采區(qū)巷道周邊沒有大的地質(zhì)構(gòu)造時，所受應力水平應與第1測站相差不大［1－2］。

六采區(qū)煤層回采過程中，大多數(shù)回采巷道的軸線方向基本上與6081巷、6091巷和軌道巷3條巷道中其中一個的軸線方向一致，本文以這3條巷道軸線方向為典型，研究不同水平主應力方向下巷道圍巖的破壞規(guī)律與錨桿支護技術(shù)研究。由地質(zhì)力學測試結(jié)果可知，最大水平主應力與6081巷道軸線方向夾角為59°，與軌道下山軸線夾角為32°，與6091巷道軸線夾角47°。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型及模擬方案

以李雅莊礦回采巷道為數(shù)值模擬對象，巷道斷面為矩形，寬5m，高3.6m。巷道沿煤層頂板掘進，煤層平均厚度3.3m，近水平賦存。煤體強度平均值為13.96MPa。頂板為粉砂巖和細砂巖，平均強度為52.01MPa。底板為細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，平均強度為54.11MPa。最大水平主應力為20.91MPa，最小水平主應力為11.44MPa，垂直應力為12.44MPa。

模擬方案:分別模擬最大水平主應力方向與巷道軸線夾角為32°，47°和59°時圍巖應力分布、變形與破壞范圍。模型應力邊界條件根據(jù)最大水平主應力方向與巷道軸線的夾角確定［3］。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過數(shù)值模擬計算，可以得到3個巷道圍巖最大主應力分布云圖，如圖2所示，3個巷道圍巖塑性區(qū)如圖3所示。

圖2 不同夾角的圍巖最大主應力分布

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)分布

(1)巷道開挖后，巷道的頂板和底板出現(xiàn)垂直應力降低區(qū)，巷道兩幫出現(xiàn)應力增高區(qū)，隨著巷道軸線與最大水平應力夾角的增大，垂直應力降低區(qū)和集中區(qū)面積和形狀均有變化。當夾角為32°時，垂直應力降低區(qū)主要分布在巷道頂板及其上部和巷道底板及其下部;當夾角為47°和59°時，應力降低區(qū)向巷道兩頂角的斜上方和兩底角的斜下方轉(zhuǎn)移。水平應力在兩幫和頂?shù)装甯浇苄〉姆秶鷥?nèi)出現(xiàn)應力降低區(qū)，隨著巷道軸線與最大水平應力夾角的增大，頂板和底板的應力集中區(qū)面積增大。

(2)巷道圍巖最大主應力值在頂板上部和底板下部一定距離內(nèi)達到最大值，隨著巷道軸線與最大水平主應力夾角的增大，距離巷道頂?shù)装逶浇?。最大主應力在巷道周邊呈現(xiàn)橢圓形分布，橢圓形長軸在水平方向上，且隨著巷道軸線與最大水平主應力夾角的增大，最大主應力逐漸向頂?shù)装灏l(fā)展，橢圓長軸長度與短軸長度比例不斷增大。

(3)巷道開挖后，在巷道周圍出現(xiàn)塑性區(qū)，當巷道軸線與最大水平主應力夾角為32°時，巷道兩幫塑性區(qū)深度略大于頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育深度;當夾角為47°時，頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育深度明顯大于兩幫塑性區(qū)發(fā)育深度;當夾角為59°時，塑性區(qū)在巷道周邊基本上呈均勻分布，頂?shù)装鍨榧羟衅茐?，兩幫含有拉應力破壞?/p>

(4)圖4為巷道軸線與最大水平主應力不同夾角時巷道頂、底板和兩幫最大變形值。當巷道軸線與最大水平主應力夾角為32°和47°時，巷道頂、底板變形量大于兩幫變形量。夾角為47°時，巷道圍巖變形明顯增大，頂?shù)装遄冃卧龃笞蠲黠@。當巷道軸線與最大水平主應力夾角為59°時，頂?shù)装逦灰屏棵黠@減小，為3個角度中最小值，兩幫變形量和夾角32°時基本持平。由巷道圍巖最大變形量可以看出當巷道軸線與最大水平主應力夾角為47°時，巷道穩(wěn)定性最差。

圖4 巷道圍巖最大變形值

總的來說，巷道圍巖的變形破壞特征與其軸線與最大水平主應力方向的夾角的大小有著密切的關(guān)系，相對于32°和59°夾角來說，當夾角為47°時，巷道圍巖變形破壞最為嚴重，特別是頂、底板的破壞比較嚴重。

3 支護措施及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 支護方案

隨著錨桿支護理論和技術(shù)的發(fā)展，以及近些年來錨桿支護在煤巷中的廣泛應用和施工機具與工藝的完善，按照一次支護、高預應力和預應力擴散、“三高一低” (即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度)、相互匹配、可操作性、經(jīng)濟合理等原則提出3種夾角類型巷道支護措施［4－5］。

考慮到施工的需要，針對3種夾角的巷道提出2種支護方案，方案一為當巷道軸線與最大水平主應力夾角為32°和59°時，采用同一種支護方案;方案二為當巷道軸線與最大水平主應力夾角為47°時，需要加強支護。以李雅莊礦6081巷斷面尺寸為例，矩形斷面，掘進寬度5.2m，高度3.7m，掘進斷面積為19.24m2。

3.1.1 支護方案一

圖5為方案一的支護示意圖。頂板錨桿排距1000mm，每排6根錨桿，間距900mm;錨桿采用桿體直徑為22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，屈服強度335MPa，長度2400mm，螺紋長度150mm，桿尾螺紋為M24;采用加長錨固的方式，采用2只樹脂藥卷，1支規(guī)格為 CK2340，1支規(guī)格為Z2360;采用高強錨桿螺母M24，配合高強托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，規(guī)格為150mm×150mm×8mm，鋼號不低于Q235，采用8號鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護頂，網(wǎng)孔規(guī)格 50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格5600mm×1100mm。用16號鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連;同時采用厚度4mm，寬280mm，長度450mm的W鋼護板護頂;錨桿全部垂直頂板安裝，錨桿預緊扭矩要達到300N·m，但不能超過500N·m。頂板錨索為1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，錨索直徑為22mm，延伸率7%，長度5300mm，鉆孔直徑30mm，采用3支樹脂藥卷，1支規(guī)格為CK2340，2支規(guī)格為Z2360;錨索托盤采用300mm×300mm×14mm高強度可調(diào)心托板及配套鎖具，承載能力不低于500kN，托盤拱高不低于60mm;錨索為“二·二間隔”布置，排距2000mm，間距1800mm。全部垂直巷道頂板打設，錨索預緊力為250kN，考慮張拉損失，錨索初始張拉力不低于300kN。

圖5 方案一支護示意

兩幫錨桿排距1000mm，每排每幫4根錨桿，間距1000mm。桿體為直徑22mm，材料為左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強度335MPa，長度2400mm，螺紋長度150mm，桿尾螺紋為M24;采用樹脂加長錨固方式，采用2支樹脂藥卷，1支規(guī)格為CK2340，1支規(guī)格為 Z2360，鉆頭直徑為30mm;采用高強錨桿螺母M24，配合高強托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，規(guī)格為150mm×150mm×8mm，鋼號不低于Q235;采用W鋼護板護幫，厚度為4mm，寬280mm，長度450mm。采用金屬網(wǎng)護幫，材料為8號鐵絲，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格3600mm×1100mm，用16號鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連;錨桿預緊扭矩要達到300N·m，但不能超過500N·m;錨桿全部垂直巷幫打設。

3.1.2 支護方案二

當巷道軸線與最大水平主應力夾角為47°時，巷道圍巖的變形破壞較為嚴重，需要加強支護強度，方案二中支護措施是在方案一的基礎上加強支護而得，把方案一中巷道頂部W鋼護板護頂改為用W鋼帶護頂。

3.2 現(xiàn)場應用分析

李雅莊礦開采2號煤，當前采區(qū)為六采區(qū)，埋深在600m左右，埋藏深度較大，六采區(qū)還剩余大量回采工作面，下一步掘進以回采巷道為主，該礦回采巷道原來支護存在的問題有:巷道支護密度大，支護效果一般，導致礦上采掘銜接緊張;地質(zhì)構(gòu)造段巷道支護效果差，掘進期間巷道不得不“前方掘進、后方起底”，回采期間巷道不得不起底、刷幫。

李雅莊礦井下進行了3根錨桿的拉拔試驗，錨固力均能達到要求，還進行過W鋼護板試驗，試驗效果較好。采用高預應力強力錨桿錨索和W鋼護板支護，錨桿、錨索間排距比原來放大0.2m，提高單根錨桿強度，提高預緊力，這樣巷道支護材料成本與原支護方式支護材料成本相差不大;巷道支護效果明顯改善，巷道在掘進期間表面位移如圖6所示，變形很小，保證了圍巖的完整性，在巷道表面形成了一個穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，將來能夠抵御回采產(chǎn)生的超前集中應力影響，實現(xiàn)巷道的一次支護，并且巷道掘進速度每月提高約20m，掘進速度得到大幅度提高。

圖6 巷道表面位移

目前，W鋼護板支護效果已經(jīng)得到礦上高度認可，該礦已開始自己加工W鋼護板，在所有掘進的回采巷道中使用，大幅度提高了支護效果與掘進速度，錨桿排距由800～900mm放到1000mm，極大地緩解了該礦采掘銜接緊張的狀況。

4 結(jié)論

(1)對于3種類型的巷道，當巷道軸線方向與最大水平主應力呈47°夾角時，巷道圍巖變形破壞較為嚴重，特別是頂、底板;當巷道軸線方向與最大水平主應力呈59°夾角時，巷道頂、底板變形破壞范圍最小，與兩幫破壞程度和夾角為32°時相當。

(2)巷道圍巖中最大水平主應力大于垂直主應力時，要特別關(guān)注巷道頂、底板的破壞;在支護設計時，首先要控制頂板和兩幫圍巖的穩(wěn)定性，在此基礎上盡量減小底鼓，爭取做到不起底。

(3)井下實踐表明，采用高預應力強力錨桿錨索和鋼護板支護，巷道支護效果明顯改善，巷道基本上沒有變形，保證了圍巖的完整性，在巷道表面形成了一個穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，將來能夠抵御回采產(chǎn)生的超前集中應力影響，同時提高了掘進速度。

［1］倪興華.地應力研究與應用 ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［2］李寶珠.礦井地質(zhì)力學測試在巷道支護中的應用 ［J］.煤炭科學技術(shù)，2006，34(8):46－50.

［3］孫玉福.水平應力對巷道穩(wěn)定性的影響 ［J］.煤炭學報，2010，35(6):892－893.

［4］康紅普，王金華，等.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.

［5］康紅普.煤巷錨桿支護成套技術(shù)研究與實踐［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(21):3959－3964.