特殊條件下巷道錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)研究

殷帥峰

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

特殊條件下巷道錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)研究

殷帥峰

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

現(xiàn)場(chǎng)采集五家溝礦5#煤層及頂板煤巖試樣，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其力學(xué)參數(shù)。運(yùn)用數(shù)值模擬方法，研究簡(jiǎn)式桁架錨索與單體錨索不同組合結(jié)構(gòu)圍巖控制效果，得出厚煤頂塊裂煤巷簡(jiǎn)式桁架錨索關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)。結(jié)合工程類比法設(shè)計(jì)5#煤層輔運(yùn)大巷簡(jiǎn)式桁架錨索與單體錨索“交錯(cuò)布置”組合支護(hù)方案。實(shí)測(cè)頂?shù)装逑鄬?duì)移近量152 mm、兩幫移近量125 mm，圍巖控制效果良好。

塊裂厚煤頂；支護(hù)結(jié)構(gòu)；簡(jiǎn)式桁架錨索；交錯(cuò)布置

隨著錨桿(索)支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和支護(hù)材料性能的提高，礦井普遍開(kāi)掘煤層大巷。厚或特厚煤層大巷沿底板掘進(jìn)時(shí)，受頂煤厚度的制約，錨索的錨固點(diǎn)不能伸入煤層頂板穩(wěn)定巖層中，支護(hù)可靠性較差。塊裂煤體節(jié)理裂隙發(fā)育、頂板冒漏塊度較大、整體強(qiáng)度較低，易產(chǎn)生離層下沉。巷道斷面的增大使巷道頂板應(yīng)力和變形近似成平方和立方急劇增長(zhǎng)[1-4]。因此，大斷面厚煤頂塊裂煤體巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)研究，已經(jīng)成為制約煤礦安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)難題。

中煤山西華昱五家溝煤業(yè)有限公司采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采5#煤層。5#煤層厚度12.82～19.42 m，初期開(kāi)采區(qū)域平均厚度16.88 m，傾角平緩。頂板一般為泥巖或砂質(zhì)泥巖，底板多為黑色泥巖或炭質(zhì)泥巖。5#煤層輔運(yùn)大巷寬5.2 m，高3.2m，斷面積16.64 m2。

1 煤巖樣物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)

鉆取5#煤層輔運(yùn)大巷煤巖樣品。鉆取要求：巖芯直徑不小于70 mm，鉆孔長(zhǎng)度大于25 m，鉆桿與頂板垂直方向小于45°，在巖芯上標(biāo)定水平面和鉆取深度。鉆取的煤巖樣主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖樣主要物理力學(xué)參數(shù)匯總

通過(guò)鉆取現(xiàn)場(chǎng)套管中煤巖樣品連續(xù)完整性描述、巷道頂板及兩幫變形破壞情況統(tǒng)計(jì)和表1中相關(guān)數(shù)據(jù)分析，可以得到如下結(jié)論：

(1) 5#煤屬于塊裂結(jié)構(gòu)煤體。單軸抗壓強(qiáng)度為12.56 Mpa，硬度較大但節(jié)理裂隙發(fā)育，頂板冒漏塊度較大，整體強(qiáng)度較低，鉆取現(xiàn)場(chǎng)套管中煤體不易形成連續(xù)完整的柱狀體。

(2) 5#煤的單軸抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)比頂板巖層的對(duì)應(yīng)參數(shù)要小。在承受同樣條件載荷或約束的條件下，煤頂?shù)钠茐姆秶统潭纫葞r石頂板的破壞狀況嚴(yán)重。

煤巖樣的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)為FLAC數(shù)值模擬計(jì)算分析和支護(hù)方案的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

2 煤體巷道不同支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

錨桿(索)支護(hù)的可靠性是評(píng)價(jià)整個(gè)支護(hù)方案圍巖控制效果的重要標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)錨桿(索)支護(hù)提高支護(hù)可靠性的方法主要有兩種：一是優(yōu)化錨索的密度、長(zhǎng)度和傾角，這是提高支護(hù)可靠性的有效方法。二是優(yōu)化錨桿密度、長(zhǎng)度和傾角。但對(duì)錨桿(索)參數(shù)的優(yōu)化沒(méi)有從根本上改變巷道支護(hù)的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于大斷面厚煤頂塊裂煤體巷道，由于錨索錨固點(diǎn)不能伸入頂板穩(wěn)定巖層，僅通過(guò)錨桿(索)參數(shù)的優(yōu)化不能達(dá)到有效控制圍巖變形和破壞的目的。由此，提出了簡(jiǎn)式桁架錨索聯(lián)合控制方案。通過(guò)單體錨桿(索)支護(hù)方案和簡(jiǎn)式桁架錨索聯(lián)合控制方案的FLAC數(shù)值模擬計(jì)算[5]，分析對(duì)比不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)可靠性。

在錨桿參數(shù)不變的情況下，分析單體錨索與簡(jiǎn)式桁架錨索形成不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖變形量。

2.1 單體錨索不同布置形式數(shù)值模擬

單體錨索不同布置形式數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2所示。

2.2 簡(jiǎn)式桁架錨索與單體錨索“交錯(cuò)布置”圍巖控制效果數(shù)值模擬

頂板錨索支護(hù)為簡(jiǎn)式桁架錨索和單體錨索聯(lián)合控制，即簡(jiǎn)式桁架錨索與單體錨索交錯(cuò)布置，桁架錨索排距為3.6 m，在每?jī)膳藕?jiǎn)式桁架錨索之間打一根單體錨索，單體錨索排距為3.6 m，參見(jiàn)圖3。

圖1 單體錨索2-1-2布置(排拒1.8 m)圍巖變形云圖

圖2 單體錨索2-2布置(排拒1.8m)圍巖變形云圖

圖3 簡(jiǎn)式桁架錨索聯(lián)合控制方案圍巖變形圖

2.3 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果對(duì)比分析

大斷面厚煤頂塊裂煤體巷道，在錨索直徑和長(zhǎng)度相同情況下，得到以下結(jié)論：

(1) 單體錨索密度增加到一定值后，再增加錨索密度對(duì)圍巖變形破壞影響較小。圖1、2分別顯示錨索2-1-2布置、2-2布置時(shí)巷道的垂直位移和水平位移。2-1-2布置巷道頂板的最大下沉量為231 mm，兩幫的最大位移值為182 mm。2-2布置時(shí)巷道頂板最大下沉量為209 mm，兩幫的最大位移值為167 mm。

(2) 簡(jiǎn)式桁架錨索聯(lián)合控制方案能有效減小圍巖的變形量。圖3(a)顯示巷道頂板最大下沉量為141 mm，兩幫最大位移值為119 mm。相比單體錨索，圍巖變形量大幅減小。

簡(jiǎn)式桁架錨索能有效控制大斷面厚煤頂塊裂煤體巷道圍巖的變形破壞，基本解決厚煤頂無(wú)法提供可靠錨固點(diǎn)的支護(hù)難題。由圖4簡(jiǎn)式桁架錨索凹槽型力學(xué)結(jié)構(gòu)分析可知：①簡(jiǎn)式桁架錨索錨固點(diǎn)位于巷道兩肩窩深部不易破壞的三向受壓巖體內(nèi)，不易受巷道上方頂板離層和變形的影響，為發(fā)揮高錨固力提供了可靠穩(wěn)固的承載基礎(chǔ)。②簡(jiǎn)式桁架錨索系統(tǒng)錨固點(diǎn)能隨頂板彎曲下沉出現(xiàn)適度水平內(nèi)移，錨索受力合理增加且形成閉鎖結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)不易失效[2]。

圖4 簡(jiǎn)式桁架錨索力學(xué)結(jié)構(gòu)圖

3 簡(jiǎn)式桁架錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)5#煤輔運(yùn)大巷煤巖樣物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、煤體巷道不同支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析、結(jié)合本礦井現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)式桁架錨索—單體錨索—錨桿—鋼筋托梁—金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)維護(hù)5#煤碎裂厚煤頂煤巷。

3.1 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)本礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法和工程類比法確定錨索支護(hù)參數(shù)如下：

簡(jiǎn)式“桁架錨索”由2根錨索及配套的鎖具、托盤還有連接2根錨索的鋼筋梯子梁組成，鋼筋梯子梁規(guī)格為2600×70 mm(長(zhǎng)×寬)。簡(jiǎn)式桁架錨索采用φ15.24 mm，7股高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，樹脂錨固，每根錨索使用1卷K2335和3卷Z2360型樹脂錨固劑錨固，兩錨索間距為2000 mm。錨索在裝配鋼托板并鎖緊后，再過(guò)1小時(shí)后張拉至額定預(yù)緊力，錨索的預(yù)緊力不得低于140 kN，錨索滯后迎頭距離不大于5 m。

單體錨索位于巷道中間位置，采用φ15.24 mm，7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索眼深8 m，錨索長(zhǎng)度8.3 m，樹脂加長(zhǎng)錨固，每根錨索使用1卷K2335和3卷Z2360型樹脂錨固劑錨固，采用與鋼絞線相配套的鎖具鎖緊，鉆孔垂直于頂板布置。單體錨索在裝配鋼托板并鎖緊后，再過(guò)1小時(shí)后張拉至額定預(yù)緊力，錨索的預(yù)緊力不得低于140 kN，錨索滯后迎頭距離不大于3 m。

簡(jiǎn)式桁架錨索的長(zhǎng)度，傾角等參數(shù)對(duì)聯(lián)合控制系統(tǒng)的支護(hù)效果起著至關(guān)重要的作用，合理參數(shù)的選擇不但能使支護(hù)效果理想，而且能使支護(hù)成本降低[2-4]。本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法對(duì)桁架錨索的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究確定。

3.1.1 數(shù)值計(jì)算模型與方案

模型模擬五家溝煤業(yè)有限公司5#煤層輔運(yùn)大巷。模擬范圍為長(zhǎng)×寬×高=100×60×55 m，上邊界施加q=γH=9.5 Mpa的均布鉛垂壓應(yīng)力，模型兩側(cè)邊界水平方向固定，底部邊界垂直方向固定，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)侖模型[1, 5]。

選用美國(guó)ITASCA公司開(kāi)發(fā)的數(shù)值模擬計(jì)算軟件FLAC3D 3.00進(jìn)行研究，本文只介紹簡(jiǎn)式桁架錨索不同傾角、不同長(zhǎng)度進(jìn)行模擬分析，模擬方案見(jiàn)表2。

表2 模擬方案表

3.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

簡(jiǎn)式桁架錨索不同傾角、長(zhǎng)度下的巷道圍巖變形情況如圖5所示。

圖5 簡(jiǎn)式桁架錨索參數(shù)與圍巖變形關(guān)系

(1) 圖5(a)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，桁架錨索長(zhǎng)度從6.3 m增大到8.3 m過(guò)程中，頂板變形從210 mm減小到140 mm，兩幫變形從170 mm減小到120 mm，底鼓變形量維持在100 mm左右變化很小。這說(shuō)明錨索長(zhǎng)度的變化對(duì)兩幫和頂板變形影響較大，而對(duì)底臌影響較小[2-4]。當(dāng)桁架錨索長(zhǎng)度達(dá)到8.3 m時(shí)，隨錨索長(zhǎng)度變化頂板、兩幫及底板變形變化不大。因此，桁架錨索長(zhǎng)度為8.3 m時(shí)能較好地控制頂板下沉量和兩幫移近量。

(2) 由圖5(b)可知，簡(jiǎn)式桁架錨索中錨索角度對(duì)兩幫和底板變形影響較小，而對(duì)頂板變形影響較大，錨索角度為75°時(shí)頂板下沉量最小，而此時(shí)兩幫和底板變形也處于較小水平。

3.2 錨桿(索)支護(hù)參數(shù)

根據(jù)本礦井的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用工程類比法確定錨桿支護(hù)參數(shù)如下：

(1)錨桿規(guī)格：頂錨桿采用φ20×2600 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，幫錨桿采用φ18×2000 mm圓鋼錨桿。頂錨桿預(yù)緊力矩不小于140 N·m，幫錨桿預(yù)緊力矩不小于100 N·m。

(2) 錨網(wǎng)規(guī)格：頂板采用φ4 mm鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂，金屬網(wǎng)規(guī)格為1200×1800 mm，網(wǎng)格大小為80×80 mm。煤幫采用普通菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，金屬網(wǎng)規(guī)格為1200×1800 mm。

(3) 托梁規(guī)格：頂板采用φ14 mm鋼筋焊接托梁，規(guī)格為5000×70 mm(長(zhǎng)×寬)。煤幫采用φ10 mm鋼筋焊接托梁，3300×70 mm(長(zhǎng)×寬)。

(4) 錨桿間排距：頂幫錨桿排距和間距皆為900 mm。

(5) 錨固劑：頂錨桿采用兩支φ23×800 mm的中速樹脂藥卷錨固；幫采用一支φ23×400 mm的快速樹脂藥卷和一支φ23×800 mm的中速樹脂藥卷錨固。

3.3 5#煤層輔助運(yùn)輸大巷支護(hù)優(yōu)化方案

由上述分析，結(jié)合該礦井實(shí)際情況，形成了5#煤層輔助運(yùn)輸大巷簡(jiǎn)式桁架錨索與單體錨索“交錯(cuò)布置”聯(lián)合控制方案[6-8]，如圖6所示。

圖6 簡(jiǎn)式桁架錨索聯(lián)合控制方案

3.4 支護(hù)效果評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)

巷道斷面收斂率小，圍巖控制效果較好。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明采用簡(jiǎn)式桁架錨索聯(lián)合控制技術(shù)，5#煤輔助運(yùn)輸大巷在掘進(jìn)20 d左右趨于穩(wěn)定，在開(kāi)挖支護(hù)完成一個(gè)月內(nèi)，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量152 mm， 兩幫移近量125 mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1) 五家溝煤業(yè)有限公司5#煤屬塊裂結(jié)構(gòu)煤體，煤巷圍巖控制難度較大。塊裂煤體節(jié)理裂隙發(fā)育，厚度較大、頂板冒漏塊度較大、但整體強(qiáng)度較低。

(2) 簡(jiǎn)式桁架錨索聯(lián)合控制系統(tǒng)優(yōu)化了煤體巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，較好地解決了五家溝煤業(yè)有限公司5#煤輔運(yùn)大巷厚煤頂無(wú)法提供可靠錨固點(diǎn)的支護(hù)難題。簡(jiǎn)式桁架錨索能夠在水平和鉛垂方向提供有效支護(hù)力，使得煤巷周圍較大區(qū)域煤巖體處于多向壓應(yīng)力狀態(tài)。

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Study on Cable Support Structure and Parameters on Roadway under Special Conditions

YIN Shuai-feng

(SafetyEngineeringSchool,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Yanjiao，101601,China)

Mechanical parameters of the coal and rock samples which obtained from the field of the coal No.5 are determined by physical and mechanical experiments. The controlling effect of surrounding in different support structure is analyzed on auxiliary transport roadway of the coal No.5. Key parameters of the simplified truss cable combined control are determined by adopting numerical simulation methods and appropriate support scheme is designed. After the scheme is implemented in field, the controlling effect of surrounding is well, which solves the control problems of the roadway with thick and fractural coal roof.

thick and fractural coal roof; support structure; simplified truss cable; combined control

2015-12-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574243)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015003、3142015086)

殷帥峰(1985-)，男，河南汝州人，博士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院講師，從事巷道支護(hù)、礦山壓力與巖層控制及采場(chǎng)生產(chǎn)保障系統(tǒng)等方面研究。E-mail: yinshuaifeng@126.com

TD353

A

1672-7169(2016)01-0056-06