某煤礦煤巷支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

孫海波

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 呂梁公司木瓜煤礦，山西 方山 033100)

很多學(xué)者對(duì)錨桿支護(hù)技術(shù)在巷道中發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行了論述，大多集中在錨桿支護(hù)對(duì)巷道圍巖的控制作用方面，有關(guān)錨桿預(yù)緊力大小對(duì)巷道穩(wěn)定性影響的研究還不多，由錨桿拉拔力和預(yù)緊力檢測(cè)試驗(yàn)得知，現(xiàn)場(chǎng)安裝錨桿質(zhì)量達(dá)不到安裝質(zhì)量的要求，造成了初期支護(hù)達(dá)不到預(yù)期的支護(hù)效果，致使巷道開(kāi)挖初期變形過(guò)大，巷道破壞嚴(yán)重[1-2]. 由此為了深入了解錨桿預(yù)應(yīng)力大小對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究。

1 工程背景

307工作面埋深為910 m，位于東二下山采區(qū)，東為東二采區(qū)未開(kāi)發(fā)區(qū)；西為東二運(yùn)輸機(jī)下山及東二回風(fēng)下山；南為東二采區(qū)未開(kāi)采區(qū)；北為306采空區(qū)。根據(jù)地質(zhì)資料得知，此區(qū)域的地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，斷層發(fā)育。煤層厚度2.6～3.0 m，平均2.8 m，平均傾角12°. 工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含2～3層炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1. 307工作面平面圖見(jiàn)圖1.

表1 煤層頂?shù)装鍘r性表

圖1 307工作面平面布置圖

圖2 煤巷原支護(hù)方案示意圖

2 煤巷原支護(hù)方式及破壞形式

2.1 原支護(hù)方式

煤巷采用錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)方式，煤巷斷面近似梯形，頂板順煤層傾向開(kāi)挖，為了保證凈高不小于2.6 m，必要時(shí)進(jìn)行破底。煤巷原支護(hù)方案示意圖見(jiàn)圖2.

頂板、兩幫分別采用錨網(wǎng)索梁、錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)方式。

1) 頂板、兩幫均采用無(wú)縱筋螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，頂板安裝5根，兩幫安裝9根。錨桿d20 mm，長(zhǎng)為2.4 m，排間距均為750 mm×850 mm.

2) 頂板安裝3根錨索，長(zhǎng)度為9 m，d15.24 mm，間排距為1.7 m×0.85 m. 安裝時(shí)外露長(zhǎng)度不宜超過(guò)300 mm，使用鎖具型號(hào)為MK-15，鋼墊板厚度不小于8 mm、邊長(zhǎng)不小于100 mm，采用2.9 m長(zhǎng)的18#槽鋼。

3) 頂板兩幫錨桿托板厚度分別為10 mm、8 mm，邊長(zhǎng)不小于150 mm. 錨桿螺母采用扭矩螺母，扭矩為150 Nm.

4) 金屬網(wǎng)為12#鐵絲機(jī)編菱形網(wǎng)，規(guī)格為長(zhǎng)800 mm×寬1 100 mm；鋼筋梯子梁采用直徑不小于10 mm的A3圓鋼。

2.2 煤巷圍巖變形破壞特征與分析

該礦開(kāi)采煤層水平深度為(-850 m)，煤層松散，頂?shù)装鍘r性強(qiáng)度較差，為典型的深部高應(yīng)力巷道，處于這種復(fù)雜環(huán)境下的煤層巷道更加難以維護(hù)，巷道變形嚴(yán)重，尤其是沿空掘巷。煤巷在開(kāi)挖掘進(jìn)及工作面回采過(guò)程中，由原來(lái)的高2.6 m×寬3.2 m，斷面縮小為高1.4 m×寬1.8 m，頂?shù)滓平科骄鶠?～2 m，兩幫收斂量平均為0.5～1 m. 礦區(qū)巷道頂板是較厚的復(fù)合頂板，頂板間夾有數(shù)層煤線，煤層內(nèi)充滿高濃度的瓦斯氣體，煤體較松散，底板為巖性強(qiáng)度較低的炭質(zhì)泥巖。在高應(yīng)力的作用下，煤層巷道變形強(qiáng)烈，支護(hù)體失效。

3 錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

3.1 確定方案

為了研究方便，模擬實(shí)驗(yàn)只改變錨桿不同的預(yù)應(yīng)力(具體參數(shù)見(jiàn)表2)，錨桿、錨索材質(zhì)、材質(zhì)特性等參數(shù)均來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)使用的錨桿、錨索參數(shù)。

3.2 模擬結(jié)果對(duì)比分析

從各方案塑性區(qū)分布范圍來(lái)看：

1) 隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加，開(kāi)挖巷道四周圍巖和煤柱塑性區(qū)的面積逐漸減小，當(dāng)預(yù)應(yīng)力增加到60 kN，塑性區(qū)范圍減小較明顯。預(yù)應(yīng)力再增加，塑性區(qū)面積減小不太明顯。

表2 方案及支護(hù)參數(shù)表

2) 當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力從10 kN逐漸增加到60 kN時(shí)，巷道圍巖淺部(頂板、兩幫)，拉伸剪切破壞程度有所減??；預(yù)應(yīng)力從60 kN增加到100 kN時(shí)，拉伸剪切破壞范圍變化不明顯。預(yù)應(yīng)力從10 kN增加到100 kN這個(gè)過(guò)程中，底板的拉伸剪切破壞程度逐漸增大，隨之底鼓加重，原因是底板為整個(gè)巷道的薄弱部位。

3) 隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加，實(shí)體煤幫側(cè)的預(yù)應(yīng)力錨桿周圍煤巖體彈性區(qū)面積逐漸增大，底板煤巖體的塑性區(qū)深度有所增加，煤柱及煤柱上下方煤巖體的塑性區(qū)面積有一定的縮小[3-5].

由不同錨桿預(yù)應(yīng)力大小模擬計(jì)算出的垂直應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3. 由圖3可以看出：開(kāi)挖巷道圍巖淺部一定范圍內(nèi)是應(yīng)力降低區(qū)，垂直應(yīng)力約為10 MPa. 隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大，巷道圍巖應(yīng)力降低區(qū)面積逐步增大，即應(yīng)力集中區(qū)域向煤巖體深部轉(zhuǎn)移。其中，巷道底板的垂直應(yīng)力降低區(qū)向深部轉(zhuǎn)移的較明顯，從11.1 m延伸至8.5 m，且應(yīng)力降低區(qū)的范圍迅速增大，較高的應(yīng)力被轉(zhuǎn)移到了更深部的巖體。煤柱上的垂直應(yīng)力明顯減小，中部應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力減小到20 MPa，面積約為整個(gè)煤柱寬度的1/2，應(yīng)力大小從煤柱中部向兩邊逐漸減小到10 MPa. 且隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大，煤柱上方的應(yīng)力影響范圍逐步增大，煤柱下方影響深度也隨之加大，從14.6 m延伸至8.6 m.

由以上分析可知，錨桿預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)錨桿支護(hù)效果有著較重要影響。隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加，巷道圍巖四周的煤巖體及煤柱上下方的塑性區(qū)區(qū)域面積有較明顯的減小，同時(shí)巷道圍巖四周的煤巖體及煤柱上的集中應(yīng)力都有明顯的減小，且將較高的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了煤巖體的深部，使得整個(gè)沿空側(cè)處于應(yīng)力降低的區(qū)域，這對(duì)維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性有重要的作用。錨桿預(yù)緊力可以有效地提高圍巖的承載能力和抗剪切能力，對(duì)維護(hù)巷道的穩(wěn)定性有重要的作用。根據(jù)圖3，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況，選擇錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN合適。

錨桿預(yù)應(yīng)力從10 kN變化到100 kN，巷道圍巖不同部位的變形量見(jiàn)表3.

表3 巷道圍巖隨錨桿預(yù)應(yīng)力不同情況下的變形量表

隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大，頂板下沉變形量由722 mm減小到427 mm，效果較明顯，錨桿預(yù)應(yīng)力從10 kN增加到60 kN這個(gè)過(guò)程中，頂板下沉變形量減小速率較大，減小量達(dá)到224 mm；從60 kN到100 kN這個(gè)過(guò)程中，頂板下沉變形量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，減小量只有71 mm. 巷道底鼓量總體只有25 mm，這是因?yàn)橄锏理敯濉蓭偷拿簬r體強(qiáng)度在錨桿預(yù)應(yīng)力下得到了提高,有效地加固了頂板、兩幫的煤巖體,但巷道底板是整個(gè)巷道的薄弱點(diǎn),當(dāng)上覆巖層壓力通過(guò)兩幫向無(wú)支護(hù)最薄弱的底板進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí),引起了底鼓,隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大，固頂、固幫的強(qiáng)度加大，底板相對(duì)變?yōu)楦颖∪醯沫h(huán)節(jié)，破壞步數(shù)也隨之減少。由此可知，在煤柱10 m情況下，加強(qiáng)巷道頂板、兩幫支護(hù)強(qiáng)度，底鼓依然較嚴(yán)重，在錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN時(shí)巷道底鼓量變化是一個(gè)分界點(diǎn)。實(shí)體煤幫在錨桿預(yù)應(yīng)力增加變化的過(guò)程中，變形量也較小，只有31 mm，錨桿預(yù)應(yīng)力從10 kN增加到60 kN這個(gè)過(guò)程中，圍巖變形趨勢(shì)減小較明顯，從60 kN到100 kN圍巖變形比較平緩，沿空側(cè)煤幫的圍巖變形量變化較明顯，從492 mm減小到350 mm，減小量達(dá)到142 mm. 不同錨桿預(yù)應(yīng)力支護(hù)巷道圍巖表面變形曲線圖見(jiàn)圖4. 由圖4可以看出，錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN時(shí)，亦是沿空側(cè)煤幫變形量的一個(gè)分界點(diǎn)。

從以上分析可知，在煤柱寬度為10 m情況下，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加，巷道圍巖的變形量得到了一定控制，但整個(gè)巷道的變形破壞依然較嚴(yán)重，所以僅改變錨桿預(yù)應(yīng)力的大小不能有效地控制巷道圍巖的變形。在原支護(hù)形式下，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN時(shí)，巷道圍巖的減小量基本趨于穩(wěn)定。但是在現(xiàn)場(chǎng)的施工過(guò)程中，完全按照一個(gè)定值來(lái)進(jìn)行施工是不現(xiàn)實(shí)的，且巷道圍巖受具體環(huán)境因素影響，所以錨桿預(yù)緊力的值應(yīng)是在一個(gè)范圍內(nèi)。從以上的模擬分析中，可以看出合理取值應(yīng)是在50～70 kN，因?yàn)樵谶@個(gè)范圍內(nèi)時(shí)巷道圍巖的變形情況基本趨于穩(wěn)定。

圖4 不同錨桿預(yù)應(yīng)力支護(hù)巷道圍巖表面變形曲線圖

4 新支護(hù)方案在巷道中的使用

從錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的分析得出，錨桿預(yù)應(yīng)力取50～70 kN時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定性較好；從煤柱寬度大小對(duì)巷道穩(wěn)定性分析可知，煤柱寬度在4～6 m時(shí)，巷道變形量較小，具有一定的穩(wěn)定性，但采用原支護(hù)方案巷道的大變形仍得不到有效地控制。為此，根據(jù)巷道的受力變形特征，原支護(hù)方式失效的原因以及煤巷圍巖控制原理，提出了新型的錨網(wǎng)梁+預(yù)應(yīng)力桁架錨索梁聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿預(yù)應(yīng)力取60 kN，煤柱寬度取5 m，模擬支護(hù)效果見(jiàn)圖5.

圖5 新支護(hù)模擬圖

由圖5 b)可以看出，整個(gè)塑性區(qū)相比原支護(hù)方式下塑性區(qū)面積有所減小，煤柱部分塑性區(qū)面積雖然分布范圍大，但影響范圍及深度相對(duì)比較小，整個(gè)巷道比較穩(wěn)定。

由圖5 c)看出，整個(gè)沿空側(cè)均處在應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力值為10 MPa，靠近采空區(qū)煤柱內(nèi)有較小范圍的值為20 MPa 的集中應(yīng)力，對(duì)煤柱穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有影響；由圖5 d)看出，沿空側(cè)較大范圍的水平應(yīng)力為10 MPa，處于水平應(yīng)力的降低區(qū)域?？梢?jiàn)，改變巷道開(kāi)挖位置，確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力大小，采用錨網(wǎng)梁+預(yù)應(yīng)力桁架錨索梁的聯(lián)合支護(hù)方式可使巷道具有較好的穩(wěn)定性。

巷道圍巖變形量見(jiàn)圖6.由圖6可以看出，巷道在新方案支護(hù)形勢(shì)下，不管是巷道兩幫，還是頂?shù)装宓淖冃乌厔?shì)均較為緩和穩(wěn)定，變形都被明顯抑制。頂板下沉量平均為205 mm，底鼓量平均為222 mm，實(shí)體煤幫變形量平均為255 mm，煤柱側(cè)變形量平均為15 mm，煤柱側(cè)的變形明顯被抑制，頂?shù)装寮皩?shí)體煤側(cè)的變形量均在控制范圍之內(nèi)。從現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的工業(yè)性試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)采用新支護(hù)方案對(duì)巷道穩(wěn)定性控制效果與模擬分析結(jié)果基本一致。

綜合上述分析，307工作面沿空掘巷試驗(yàn)段巷道煤柱寬度取5 m，錨桿預(yù)應(yīng)力取60 kN，采用錨網(wǎng)梁+預(yù)應(yīng)力桁架錨索梁聯(lián)合支護(hù)，為巷道最佳開(kāi)挖和支護(hù)方案。

圖6 巷道圍巖變形量趨勢(shì)圖

5 結(jié) 論

運(yùn)用FLAC 2D模擬程序分別模擬了錨桿預(yù)緊力大小、煤柱寬度大小對(duì)穩(wěn)固巷道圍巖的影響，得出兩者對(duì)維護(hù)巷道穩(wěn)定性有重要的作用，從模擬結(jié)果對(duì)照分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際，錨桿的預(yù)應(yīng)力合理范圍應(yīng)在50～70 kN；煤柱寬度為4～6 m時(shí)既能夠保證煤柱受力的合理性，又能保持煤柱的穩(wěn)定性，與理論計(jì)算出煤柱寬度基本吻合。從對(duì)307工作面沿空掘巷試驗(yàn)段采用錨網(wǎng)梁+預(yù)應(yīng)力桁架錨索梁聯(lián)合支護(hù)方式，巷道煤柱寬度取5 m，錨桿預(yù)應(yīng)力取60 kN時(shí)模擬結(jié)果來(lái)看，巷道圍巖的變形量得到了有效地控制，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果基本一致。因此，此方案為巷道開(kāi)挖和支護(hù)最佳方案。