全斷面高預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)強(qiáng)烈動(dòng)壓影響極破碎圍巖的研究與實(shí)踐

藺蘇平，王子越（.山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)保安煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000；.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 0003）

全斷面高預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)強(qiáng)烈動(dòng)壓影響極破碎圍巖的研究與實(shí)踐

藺蘇平1，王子越2
（1.山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)保安煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013）

通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬等方法分析了錨索長(zhǎng)度對(duì)支護(hù)效果的影響，指出隨著錨索長(zhǎng)度的增加，錨索形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)覆蓋范圍減小，支護(hù)系統(tǒng)的剛度減小。根據(jù)分析結(jié)果，制定了全斷面高預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)方案，并在保安礦15106補(bǔ)進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行試驗(yàn)，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明巷道圍巖變形得到有效控制，全斷面高預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)效果較好。

高預(yù)應(yīng)力；短錨索；圍巖支護(hù)；極破碎圍巖；強(qiáng)烈動(dòng)壓

小孔徑預(yù)應(yīng)力樹(shù)脂錨索具有錨固力大、錨固長(zhǎng)度長(zhǎng)、可施加預(yù)應(yīng)力大、支護(hù)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦巷道支護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。尤其全斷面錨索支護(hù)為復(fù)雜困難巷道支護(hù)提供了強(qiáng)有力的支護(hù)手段。錨索支護(hù)機(jī)理也從傳統(tǒng)的懸吊理論發(fā)展為錨索可以施加較大預(yù)緊力，對(duì)圍巖施加壓應(yīng)力，與錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)形成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主動(dòng)支護(hù)圍巖[5-6]。然而，受傳統(tǒng)觀念的影響，錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度往往偏長(zhǎng)，個(gè)別礦區(qū)錨索長(zhǎng)度甚至達(dá)到18 m。長(zhǎng)錨索施工困難，極大影響支護(hù)速度，且成本較高。在煤礦經(jīng)營(yíng)困難的形勢(shì)下，本著降本增效的原則，在保安礦15106補(bǔ)進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行了全斷面高預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)試驗(yàn)，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析了錨索長(zhǎng)度與支護(hù)效果的關(guān)系。實(shí)踐證明，在保證高預(yù)應(yīng)力的條件下，全斷面高預(yù)應(yīng)力短錨索在極破碎圍巖強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道支護(hù)中效果較好。

1　不同長(zhǎng)度錨索支護(hù)效果分析

1.1剛度分析

若錨索自由段內(nèi)節(jié)理面張開(kāi)位移為δn，見(jiàn)圖1，則錨索提供的變形抗力可由下式[7]計(jì)算：

式中：σk為變形抗力，MPa；D為節(jié)理面距錨桿托盤(pán)軸向距離，m；L為錨索長(zhǎng)度，m；E為錨索彈性模量，MPa；y為節(jié)理面點(diǎn)與錨索距離，m。

圖1　錨索支護(hù)示意圖

以長(zhǎng)10 m和5 m的錨索進(jìn)行對(duì)比分析，由上式可知，當(dāng)節(jié)理面張開(kāi)位移相同時(shí)，長(zhǎng)5 m的錨索提供的變形抗力是長(zhǎng)10 m的兩倍。因此，隨著錨索長(zhǎng)度的縮短，錨索對(duì)支護(hù)范圍內(nèi)節(jié)理裂隙施加的變形抗力增大，支護(hù)體系剛度隨之增大。

1.2預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分析

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)不同長(zhǎng)度錨索的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，錨索長(zhǎng)度分別為4 m、5 m、6 m、8 m、10 m。錨索預(yù)緊力統(tǒng)一設(shè)定為200 kN，錨固長(zhǎng)度為1 400 mm。模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　不同長(zhǎng)度錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)圖

分析模擬結(jié)果可知，4 m長(zhǎng)錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)完整覆蓋了錨索支護(hù)范圍，對(duì)圍巖施加了有效壓應(yīng)力，主動(dòng)支護(hù)效果好；5 m、6 m長(zhǎng)錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)也基本覆蓋了錨索支護(hù)范圍，可實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)；8 m、10 m長(zhǎng)錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)未覆蓋錨索支護(hù)范圍，在錨固段和托盤(pán)中間出現(xiàn)大面積無(wú)預(yù)應(yīng)力部位，且預(yù)應(yīng)力較低，主動(dòng)支護(hù)效果差。因此，隨著錨索長(zhǎng)度的增加，錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)覆蓋范圍減小，主動(dòng)支護(hù)效果減弱。

由剛度和預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分析可知，隨著錨索長(zhǎng)度的增加，支護(hù)體系的剛度減小，主動(dòng)支護(hù)效果減弱。因此，錨索不宜過(guò)長(zhǎng)。

2　工程實(shí)踐

2.1工程概況

保安礦15號(hào)煤層的平均厚度為4 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤質(zhì)疏松，節(jié)理裂隙發(fā)育。由于煤層具有較高沖擊傾向性，掘進(jìn)之前需布置防突鉆孔，致使巷道周?chē)? m范圍內(nèi)煤體基本喪失完整性，內(nèi)有明顯空洞，見(jiàn)圖3。

圖3　 煤幫窺視圖

巷道直接頂為石灰?guī)r，平均厚度為2 m，內(nèi)部富含方解石脈，易在方解石脈處發(fā)生離層、錯(cuò)動(dòng)；老頂為5.5 m~8.8 m厚的砂質(zhì)泥巖，較為完整。頂板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4　頂板結(jié)構(gòu)圖

由于采掘時(shí)間銜接較為緊張，15106補(bǔ)進(jìn)風(fēng)巷在相鄰15104工作面回采時(shí)即進(jìn)行掘進(jìn)，其間隔煤柱寬度為24 m。后因掘進(jìn)期間瓦斯涌出量較高，為保證供風(fēng)，在小煤柱內(nèi)以炮掘方式掘進(jìn)寬4 m、高4 m的配風(fēng)巷，以構(gòu)成U型通風(fēng)系統(tǒng)。15106補(bǔ)進(jìn)風(fēng)巷與配風(fēng)巷之間凈煤柱寬度僅為7 m，其掘進(jìn)期間受到15104工作面回采、15106配風(fēng)巷掘進(jìn)兩次強(qiáng)烈采動(dòng)影響，其巷道布置平面圖見(jiàn)圖5。故15106補(bǔ)進(jìn)風(fēng)巷為典型的極破碎圍巖強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道，支護(hù)難度較大。

圖5　巷道布置平面圖

2.2支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)前述錨索長(zhǎng)度與支護(hù)效果的理論、數(shù)值模擬分析，確定全斷面高預(yù)應(yīng)力短錨索支護(hù)方案如下。

支護(hù)規(guī)格見(jiàn)圖6，頂幫錨索均為1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直徑22 mm。頂錨索長(zhǎng)5.3 m，每排5根，間距900 mm，排距900 mm。幫錨索長(zhǎng)度4.3 m，每幫每排4根，間距1 100 mm，排距900 mm。錨索尾部采用配套的高強(qiáng)度鎖具。錨索托板規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)度可調(diào)心拱形大托板，承載力與錨索的索體一致，不低于600 kN。頂幫錨索均采用1支MSK2330和2支MSZ2360樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固，錨固長(zhǎng)度1 900 mm。要求頂錨索初始預(yù)緊力大于250 kN，幫錨索初始預(yù)緊力大于150 kN。施工過(guò)程中特別注意施加合適的錨索預(yù)緊力。

圖6　 支護(hù)規(guī)格圖

3　支護(hù)效果分析

為了對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在15106補(bǔ)進(jìn)風(fēng)巷布置多組綜合測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用連續(xù)在線監(jiān)測(cè)錨索測(cè)力計(jì)對(duì)錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。3.1巷道表面位移

15106補(bǔ)進(jìn)風(fēng)巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖7，分析位移變化曲線可知，巷道開(kāi)掘初期位移發(fā)展較快，隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，巷道逐漸趨于穩(wěn)定，巷道掘進(jìn)25 d之后，變形基本不再發(fā)展。巷道頂板最大下沉量為82 mm，底鼓量為204 mm，煤柱側(cè)幫移近量為280 mm，實(shí)體煤側(cè)幫移近量為160 mm。巷道頂板變形得到有效控制，支護(hù)效果較好，兩幫移近量較大。

圖7　巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

3.2錨索受力監(jiān)測(cè)

圖8為錨索受力監(jiān)測(cè)圖，分析可知一號(hào)、二號(hào)幫錨索預(yù)緊力較小，后期受力有較大增加，六號(hào)幫錨索未有效錨固，七號(hào)幫錨索受力急劇增加后脫錨，說(shuō)明兩幫煤體破碎疏松，幫錨索難以施加較高預(yù)緊力，初期支護(hù)剛度較小，不能有效控制兩幫煤體破壞[8]，后期錨索受力明顯增大。頂錨索最終穩(wěn)定工作載荷與初期受力相差不大，說(shuō)明頂錨索預(yù)緊力較高，支護(hù)剛度大，支護(hù)范圍內(nèi)頂板圍巖保持穩(wěn)定，變形和破壞得到有效控制。

圖8　錨索受力監(jiān)測(cè)圖

4　結(jié)束語(yǔ)

1）隨著錨索長(zhǎng)度的增加，錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)逐漸無(wú)法擴(kuò)散覆蓋整個(gè)錨索支護(hù)范圍，錨索的主動(dòng)支護(hù)效果減弱，支護(hù)體系的剛度減小，因此，錨索不宜過(guò)長(zhǎng)。

2）保安礦15106補(bǔ)進(jìn)風(fēng)巷直接頂?shù)幕規(guī)r內(nèi)部方解石脈十分發(fā)育，煤體經(jīng)防突卸壓孔破壞后喪失完整性，且受到多次動(dòng)壓擾動(dòng)，應(yīng)力重新分布疊加，導(dǎo)致圍巖發(fā)生大面積塑性破壞，屬于典型的強(qiáng)烈動(dòng)壓影響極破碎圍巖，支護(hù)難度較大。

3）確定全斷面高預(yù)緊力短錨索支護(hù)方案并實(shí)施于井下。礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，全斷面高預(yù)緊力短錨索支護(hù)顯著提高了巷道圍巖完整性及穩(wěn)定性，支護(hù)效果較好，且短錨索施工方便、成本較低，為強(qiáng)烈動(dòng)壓影響極破碎圍巖提供了有效、快速、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)措施。

[1]康紅普,林健,張冰川.小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索加固困難巷道的研究與實(shí)踐[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(3):387-390.

[2]林健,趙英利,吳擁政,等.松軟破碎小煤體小煤柱護(hù)巷高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)研究與應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采,2007,12(3):47-50.

[3]王成明,鞠文君.錨索補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)的應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采,2001(4):55-59.

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

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

[6]褚曉威.小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力損失機(jī)理及試驗(yàn)研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,2010.

[7]王子越.樹(shù)脂錨桿錨固質(zhì)量和桿體變形特征研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,2014.

[8]康紅普.煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)研究與實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(21):3959-3964.

（編輯：李森森）

Effect of Strong Dynamic Pressure on Extremely Fractured
Surrounding Rock with Full Cross-sectional and High Pre-stressed Short Anchor Support

LIN Suping1，WANG Ziyue2
(1.Bao'an Coal Co.,Ltd.,Shanxi Coal Transportation&Sales Group,Yangquan 045000,China; (2.Mining Designing Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

Theoretical analysis and numerical simulation were used to study the effect of anchor length on supporting and draw the conclusion that,with the length increase,both the coverage of pre-stress field and rigidity of the supporting system decease.According to the research results,a supporting plan with full cross-sectional and high pre-stressed short anchor was established and was tested in No.15106 intake airway in Bao'an Mine.Mine pressure observation shows that the deformation of surrounding rock has been effectively controlled and the effect of the support is better.

high pre-stress;short anchor;surrounding rock support;extremely fractured surrounding rock;strong dynamic pressure

TD353.6

A

1672-5050（2016）02-0029-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.009

2015-12-14

藺蘇平(1983-)，男，山西陽(yáng)泉人，大學(xué)本科，助理工程師，從事巷道支護(hù)的管理工作。