頂板水對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的影響及控制研究

張俊敏，柏建彪，2，張偉光，2

(1.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，錨桿支護(hù)以其顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，在煤礦巷道圍巖控制中獲得了廣泛應(yīng)用，是巷道支護(hù)的一場(chǎng)革命[1-4]。當(dāng)巷道頂板中賦存含水層時(shí)，巷道開(kāi)挖產(chǎn)生的裂隙與含水層貫通，水將沿著裂隙或錨固孔下滲而引起錨固界面弱化，導(dǎo)致錨固力下降，甚至造成支護(hù)系統(tǒng)失效[5-7]。因此，開(kāi)展水影響下錨固結(jié)構(gòu)弱化特征的研究，對(duì)于富水頂板巷道樹(shù)脂錨桿支護(hù)技術(shù)的完善具有重要意義。曾一凡等[8]根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果對(duì)頂板冒裂安全性進(jìn)行分區(qū)，結(jié)合富水性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)煤層頂板風(fēng)化基巖裂隙含水層突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。姚強(qiáng)嶺[9，10]針對(duì)典型的富水巷道頂板條件，分析了頂板水流動(dòng)特征及其對(duì)頂板支護(hù)強(qiáng)度的影響，提出了有控疏水、合理保水技術(shù)以減少頂板水對(duì)巖石侵蝕弱化作用和提高圍巖自身強(qiáng)度的方法，并得到了富水巷道頂板錨桿支護(hù)主要技術(shù)參數(shù)。胡濱等[11]研究了水對(duì)樹(shù)脂錨桿錨固性能的影響，得出頂板鉆孔淋水和巷幫鉆孔積水對(duì)樹(shù)脂錨桿錨固性能影響較大的結(jié)論。周杰等[12]通過(guò)對(duì)錨固體力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬，得出隨鉆孔積水量的增加，錨固性能弱化作用更加顯著。鄧輝等[13]研究發(fā)現(xiàn)在深埋遇水軟化軟巖巷道中錨桿、錨索工作錨固力相對(duì)較小、預(yù)緊力偏小，使用錨梁網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效控制該類(lèi)巷道變形。謝志紅[14]開(kāi)展了頂板泥巖的耐崩解性試驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示水對(duì)軟弱夾層弱化作用較強(qiáng)，并提出了梯次支護(hù)技術(shù)，工業(yè)性試驗(yàn)顯示該技術(shù)具有較好的支護(hù)效果。王襄禹等[15]分析了弱膠結(jié)富水巷道頂板弱化規(guī)律，提出合理保水、有控疏水及高性能錨桿(索)支護(hù)相結(jié)合的綜合控制技術(shù)，圍巖控制效果顯著。本文以哈密大南湖礦111801運(yùn)輸巷為研究背景，建立FLAC數(shù)值計(jì)算模型，分析頂板含水量對(duì)錨固結(jié)構(gòu)可靠性的影響，提出合理有效的控制措施。

1 工程概況

哈密大南湖礦位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市西南，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4.0Mt/a。主要可采煤層為中侏羅統(tǒng)西山窯組中含煤段的18、19、20、22、23、24、25煤，共計(jì)7層，均為較穩(wěn)定的大部可采煤層。各主要可采煤層物理性質(zhì)基本相似，現(xiàn)階段開(kāi)采18煤層，18～19煤之間煤層間距在0.75～18.00m，平均6.44m。

18煤頂?shù)装宥酁榛疑百|(zhì)泥巖和粉砂巖，111801運(yùn)輸巷頂板存在含礫粗砂巖含水層，頂板常會(huì)出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。因?yàn)樗畷?huì)阻礙樹(shù)脂錨固劑反應(yīng)物凝結(jié)，降低錨固劑粘結(jié)力，弱化錨固區(qū)圍巖，所以圍巖含水量會(huì)影響錨固結(jié)構(gòu)的錨固性能。

2 水對(duì)錨固結(jié)構(gòu)影響程度分析

2.1 FLAC數(shù)值模型建立

模擬不同圍巖含水量條件下支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，分析水對(duì)錨固結(jié)構(gòu)可靠度的影響。采用FLAC3D軟件，建立由單個(gè)錨桿和周?chē)鷰r石組成的錨固結(jié)構(gòu)模型，模型中采用Φ22mm×2000mm的錨桿，賦值參數(shù)為：彈性模量210GPa，屈服強(qiáng)度500MPa。為了更好地研究錨桿支護(hù)產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)，在模擬中沒(méi)有施加原巖應(yīng)力，預(yù)緊力施加在錨桿的尾部；為了模擬含水率對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的影響程度，選取錨桿孔圍巖含水率分別為2%、4%、6%進(jìn)行模擬，三種數(shù)值模型所確定的錨固段長(zhǎng)度統(tǒng)一為0.6m、施加的預(yù)緊力為120kN。

為建立圍巖不同含水量的錨固結(jié)構(gòu)模型，需確定不同含水率下巖體的物理力學(xué)參數(shù)。將砂質(zhì)泥巖和粉砂巖試樣分為5組，分別為烘干24h、浸水30min、浸水1h、浸水2h和飽水5種含水狀態(tài)，選擇浸水后較為完整的巖樣分別進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和剪切實(shí)驗(yàn)。測(cè)定不同含水狀態(tài)下砂質(zhì)泥巖和粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。由測(cè)試結(jié)果擬合出巖體不同含水狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)變化曲線(xiàn)，獲得含水率與力學(xué)參數(shù)間的定量關(guān)系，如圖1所示。在建模過(guò)程中使用FISH語(yǔ)言把含水率與力學(xué)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系導(dǎo)入模型獲取與現(xiàn)實(shí)巖體參數(shù)一致的數(shù)值模型。

圖1 巖體力學(xué)參數(shù)-含水率變化擬合曲線(xiàn)

2.2 圍巖含水率與預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的關(guān)系

錨固長(zhǎng)度為0.6m、預(yù)緊力為120kN時(shí)，對(duì)于含水率分別為2%、4%、6%的錨桿孔圍巖，錨桿的應(yīng)力場(chǎng)分布和有效壓應(yīng)力的作用范圍，如圖2所示。從圖2中可以看出巖石高含水量會(huì)降低有效壓應(yīng)力范圍和壓應(yīng)力強(qiáng)度，導(dǎo)致錨固結(jié)構(gòu)的整體性能明顯降低，錨桿不能產(chǎn)生有效的主動(dòng)支護(hù)效果。

圖2 不同含水率支護(hù)應(yīng)力分布云圖

由圖2可知：?jiǎn)蝹€(gè)錨桿施加預(yù)緊力在巖石中可形成類(lèi)橢圓體的壓應(yīng)力分布區(qū)域，在錨桿尾部附近和錨固的起始端的壓應(yīng)力較大，在錨桿自由段中部形成的壓應(yīng)力相對(duì)較小并且壓應(yīng)力向錨桿兩側(cè)延展，所以壓應(yīng)力范圍和強(qiáng)度決定了錨固結(jié)構(gòu)的整體性能。

隨著巖石含水率增加，錨固體在周?chē)鷰r石中產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力區(qū)域逐漸減小，當(dāng)含水率為2%時(shí)，錨邊有效壓應(yīng)力區(qū)域的最大范圍為0.5m，壓應(yīng)力達(dá)到0.1MPa的范圍為0.2～0.3m；含水量為4%時(shí)，有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍在錨桿自由段上部區(qū)域有所減小，沒(méi)有形成壓應(yīng)力大于0.1MPa的連續(xù)區(qū)域；含水量為6%時(shí)，有效壓應(yīng)力最大作用范圍為0.35m，沿錨桿軸向方向不能形成連續(xù)的有效壓應(yīng)力區(qū)，此時(shí)錨固結(jié)構(gòu)的可靠性較弱。因此，對(duì)于頂板富水巷道圍巖控制的關(guān)鍵是降低頂板含水量，減少水對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的弱化作用，保證巷道圍巖穩(wěn)定。

3 富水頂板錨固結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)及應(yīng)用效果

由于111801運(yùn)輸巷含水層層位較低，頂板錨索會(huì)穿過(guò)含水層，頂板水順著錨索孔流出，對(duì)支護(hù)體產(chǎn)生弱化作用，降低錨固結(jié)構(gòu)的可靠性。因此提出了采取錨索注漿堵水的控制方案。

3.1 錨索注漿合理保水

為降低頂板水流動(dòng)對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的影響，采用錨索注漿的保水措施把頂板流動(dòng)水變?yōu)殪o態(tài)水，如圖3所示。注漿可以實(shí)現(xiàn)錨索全長(zhǎng)預(yù)緊力錨固，防止錨索生銹，使頂板中水恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，改善控制頂板圍巖效果。錨索使用帶注漿管的自制托盤(pán)，安裝錨索時(shí)孔口位置用麻繩摻速凝劑封堵。

圖3 帶注漿管的自制托盤(pán)示意圖

3.2 富水頂板巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

緊跟掘進(jìn)工作面迎頭進(jìn)行錨桿支護(hù)，先初噴50mm，打錨桿掛網(wǎng)后進(jìn)行復(fù)噴，復(fù)噴50mm，噴層總厚度為100mm。頂錨桿采用Φ22mm×2200mm左旋高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺紋鋼錨桿，間排距為850mm×800mm；頂板錨索采用Φ18.9mm×6800mm的錨索，每隔兩排錨桿1600mm布置2或3根Φ18.9mm的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索，布置方式為“3-2-3”；左右兩幫采用與頂錨桿參數(shù)相同的錨桿，間排距為750mm×800mm。

3.3 支護(hù)效果觀測(cè)

沿巷道掘進(jìn)方向采用錨桿錨索支護(hù)后每100m設(shè)置一個(gè)包含測(cè)力錨桿和錨桿測(cè)力計(jì)的綜合觀測(cè)測(cè)站，對(duì)掘進(jìn)及回采期間錨桿的受力情況進(jìn)行定期觀測(cè)。

1)為了測(cè)試錨索注漿合理保水措施后錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性，分析了錨桿的軸向荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖4所示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示頂錨桿的軸向載荷最大為30kN，Φ22mm高強(qiáng)錨桿的破斷載荷為186kN，錨桿仍有較大的承載空間。

圖4 錨桿軸向載荷監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

2)不同時(shí)間段的頂板測(cè)力錨桿受力曲線(xiàn)如圖5所示，錨桿安裝以后，桿體受力在工作面回采之前的變化并不大，但工作面回采之后桿體受力不斷增大。錨桿沿長(zhǎng)度方向的載荷分布并不是均勻的，受力在淺部圍巖處較大，距頂板0.7m深處錨桿受力最大，且錨桿受力在距托盤(pán)較近的位置開(kāi)始變大。

圖5 不同時(shí)間段的頂板測(cè)力錨桿受力曲線(xiàn)

頂板測(cè)力錨桿與工作面距離的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示，桿體受力在工作面回采期間一直增加，在距工作面30m附近增速加快，說(shuō)明工作面回采引起的超前支承壓力影響范圍在30m左右。錨桿受力最大為65kN，遠(yuǎn)小于Φ22mm錨桿的破斷載荷(186kN)，說(shuō)明支護(hù)參數(shù)能夠滿(mǎn)足巷道圍巖變形。

圖6 頂板測(cè)力錨桿與工作面距離的關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

1)富水頂板涌水量大，不利于樹(shù)脂錨固劑反應(yīng)物凝結(jié)，造成錨固區(qū)圍巖的弱化，減弱了錨固結(jié)構(gòu)的錨固性能。

2)提高富水頂板錨固結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵在于降低頂板含水量，減小水對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的弱化作用，提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

3)工業(yè)性試驗(yàn)表明采用錨索注漿的合理保水措施可以降低頂板含水量，提高錨固結(jié)構(gòu)的安全可靠性，滿(mǎn)足了巷道圍巖變形要求，具有較好的技術(shù)效果。