馬堡煤業(yè)錨桿支護參數(shù)優(yōu)化研究

張巖雄，宋云龍，閆循強，遲羽淳

(1.山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長治 046300； 2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展，能源需求加大，煤礦開采深度逐年遞加，巷道圍巖支護成為急需解決的難題[1]。錨桿支護設(shè)計作為一種有效的巷道支護方式，也代表了煤礦巷道支護的發(fā)展方向，取得了較好的效果[2-3]。錨桿支護參數(shù)的選擇有利于充分展現(xiàn)錨桿支護的優(yōu)勢，能確保巷道安全[4]。如果支持形式和參數(shù)不合理，將導(dǎo)致2個結(jié)果：①支護過剩，不僅浪費支護材料，而且影響掘進速度，回采期間因支護強度過大，巷道頂板不易垮落，造成安全隱患；②不能有效控制圍巖變形，不能滿足巷道的安全使用。

為解決以上問題，本文通過動態(tài)錨桿支護設(shè)計[5]，采用數(shù)值模擬、理論計算，優(yōu)化礦井錨桿長度、錨桿密度支護參數(shù)，并將設(shè)計參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場，配合礦壓監(jiān)測，保證了巷道安全，能夠為本煤層支護參數(shù)選擇提供參考。

1 工程概況

山西馬堡煤業(yè)有限公司隸屬于山西省煤銷集團長治分公司，現(xiàn)開采8號、15號煤層。8號煤層3個采區(qū)，15號煤共有4個采區(qū)，2層煤同時開采。15號煤層偽頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度0.20 m；直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.65 m；基本頂為細砂巖，平均厚度5.65 m，粉砂質(zhì)泥巖抗拉強度1.0 MPa，抗壓強度15.7 MPa；砂質(zhì)泥巖抗拉強度2.3 MPa，抗壓強度46.8 MPa。15205回風(fēng)巷位于15號煤二采區(qū)，沿15號煤層頂板掘進。與巷道相鄰的15203工作面采空區(qū)尚處于穩(wěn)定過程中。井下巷道頂板整體情況較好，兩幫礦壓顯現(xiàn)較大，出現(xiàn)一定的圍巖變形。

2 巷道支護原則

針對馬堡煤業(yè)特殊的地質(zhì)生產(chǎn)條件，為了充分發(fā)揮錨桿支護的作用，應(yīng)避免重復(fù)支護及多次支護，確保首次支護的效果，實現(xiàn)有效控制圍巖變形[6]。選擇錨桿時應(yīng)將高可靠性、低支護密度、高剛度、高強度因素綜合考慮[7]。為使錨桿支護最大程度地展現(xiàn)整體支護效果，錨索和錨桿的力學(xué)性能與參數(shù)互相匹配，同時應(yīng)考慮托板、鋼帶、錨桿各構(gòu)件、螺母的參數(shù)和力學(xué)性能的匹配問題[8]。錨桿預(yù)應(yīng)力是區(qū)分錨桿主、被動支護的評判參數(shù)，高預(yù)應(yīng)力錨桿才能發(fā)揮主動支護的作用[7]。在支護過程中，要充分考慮以上因素對支護效果的影響。

3 不同參數(shù)對支護結(jié)果的影響

預(yù)應(yīng)力參數(shù)在錨桿支護系統(tǒng)中起決定性作用。適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力能夠形成廣泛范圍的壓應(yīng)力區(qū)域，有效的壓應(yīng)力區(qū)可在頂板形成一個整體，在極大范圍內(nèi)覆蓋頂板，使錨桿的主動支護功能得到充分的發(fā)揮。預(yù)應(yīng)力選擇應(yīng)使錨固區(qū)不發(fā)生拉應(yīng)力區(qū)和明顯離層。桿體屈服荷載標準值的30%～60%是錨桿預(yù)緊力合適的取值范圍[8]。錨桿支護的預(yù)緊力隨著錨桿直徑增大、強度變高而增大。通過FLAC3D軟件對巷道建立二維模型，分別研究不同參數(shù)對支護效果的影響。

3.1 錨桿密度

間距0.6～1.4 m的支護附加應(yīng)力場如圖1所示。由圖1可知，在確定預(yù)應(yīng)力的作用下，單根錨桿周圍壓應(yīng)力區(qū)域呈現(xiàn)為類似錐形分布，錨桿末端附近壓應(yīng)力為最大，其次是錨起點。壓應(yīng)力在錨桿自由部分的中間較小，并且錨桿的端部表現(xiàn)出接近零應(yīng)力和拉伸應(yīng)力微弱的狀態(tài)[6]。單個錨桿間距太大，無法形成整體錐形結(jié)構(gòu)。當(dāng)錨桿間距減小，由單個錨桿形成的錐形壓縮應(yīng)力區(qū)逐漸接近，互相重疊并形成整體支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)錨桿增設(shè)到一定數(shù)量后，有效壓應(yīng)力的區(qū)域隨錨桿的支護密度增大而增大，然而錨固預(yù)應(yīng)力的擴散效果不隨其持續(xù)變化[9]。因此，為增大錨桿間的間距，減小錨桿支護密度，減少錨桿數(shù)量，可通過提高錨桿的預(yù)應(yīng)力來實現(xiàn)。

圖1 間距0.6～1.4 m的支護附加應(yīng)力場Fig.1 Additional stress field of support with an interval of 0.6～1.4 m

3.2 錨桿長度

錨桿的作用范圍隨著錨桿長度增大而變大，有效壓應(yīng)力的厚度與范圍也隨著增加。錨桿長度增加，其壓應(yīng)力在中上部分減??；在2個錨桿中間的中部圍巖，壓應(yīng)力也隨之減小。在確定的預(yù)應(yīng)力條件下，錨桿越長，預(yù)應(yīng)力的作用反而越不明顯，錨桿的主動支護能力越差。由此，施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)隨錨桿的增長而增大。反之，可以通過增加預(yù)應(yīng)力來適當(dāng)縮短錨桿的長度。錨桿長度分別為1.6～2.6 m的應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 錨桿長度1.6～2.6 m時應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution when anchor rod length is 1.6～2.6 m

3.3 錨桿角度

頂板角錨桿的角同樣影響著應(yīng)力場分布(圖3)。在垂直布置中，在角錨桿和中間錨桿共同作用下，在頂板形成均勻分布、厚度大、相互疊加和連接的有效壓應(yīng)力區(qū)，其可覆蓋大部分錨固區(qū)域，在此情況下，錨桿疊加效果和預(yù)應(yīng)力的擴散最好。當(dāng)角錨桿角度變大時，中部錨桿周圍的有效壓應(yīng)力區(qū)與角錨桿周圍的有效壓應(yīng)力區(qū)域逐漸分離，兩者重疊部分變得越來越小。中部錨桿和角錨桿2個壓應(yīng)力區(qū)當(dāng)頂板角錨桿角度達到15°時明顯分開。此時如繼續(xù)增加角錨桿的角度，中部錨桿和角錨桿之間的壓應(yīng)力區(qū)域?qū)⑼耆蛛x，成為2個獨立的支護部分。因此，垂直布置是近水平煤層巷道頂板角錨桿布置的首選。如施工原因必須有一定的角度，則角度應(yīng)小于10°。

圖3 不同錨桿角度附加應(yīng)力場分布Fig.3 Distribution of additional stress field with different anchor angles

4 理論計算

4.1 錨桿長度計算

錨桿長度計算公式為：

L=L1+L2+L3

(1)

式中，L1為外露長度，取0.1 m；L2為錨桿自由段長度；L3為錨桿深入穩(wěn)定巖層長度。

按經(jīng)驗公式計算錨桿長度L2(加固拱理論)：

L2=N(1.1+B/10)=1.76 m

(2)

式中，L2為錨桿長度；N為圍巖穩(wěn)定性影響系數(shù)，一般為0.9～1.2，取1.1；B為巷道跨度，取5 m。

根據(jù)經(jīng)驗公式L3取值0.3 m。

根據(jù)以上計算，錨桿長度L=L1+L2+L3=2.16 m。因此，錨桿長度取值應(yīng)不小于2.16 m，結(jié)合現(xiàn)場及礦方目前現(xiàn)有支護材料，取值為2.5 m。

4.2 錨桿間排距計算

錨桿間排距近似相等：

(3)

式中，a為錨桿間排距；Q為錨桿設(shè)計錨固力；H為冒落拱高度，H=B/2f=0.833 m，B為巷道開掘?qū)挾?，? m，f為巖石堅固性系數(shù)，取3；γ為被懸吊煤巖體的密度，取2.5 t/m3；K為安全系數(shù)，取4。

將數(shù)據(jù)代入公式計算得，a=0.920～1.008 m。

根據(jù)現(xiàn)有支護施工經(jīng)驗，錨桿排距取1.0 m，間距以排距作為參照，綜合巷道實際情況和尺寸具體確定。

5 支護效果監(jiān)測

15號煤層15205回風(fēng)巷支護參數(shù):①頂板支護，支護參數(shù)選取為錨桿長度2.5 m，錨桿排距1.0 m，錨桿間距0.9 m，每排布置6根錨桿；②巷幫支護，支護參數(shù)選取為錨桿長度2.5 m，錨桿排距1.0 m，每幫每排布置6根錨桿，間距0.8 m，距離頂?shù)装甯?.25 m。

巷道中每隔50 m安裝頂板指示儀。設(shè)置觀測點，在距掘進工作面50 m內(nèi)，觀測離層值。在超過50 m的范圍，用紅、黃、綠不同顏色展現(xiàn)頂板離層松動的不同程度，頂部松動離層值很小，頂板指示儀顯示為綠色，代表其處于穩(wěn)定狀態(tài)；離層松動達到報警極限值時，指示儀顯示為黃色；當(dāng)頂板松動離層值較大時，指示儀顯示為紅色，代表其已進入危險狀態(tài)。

在掘進過程中，離層指示儀數(shù)據(jù)均為超過50 mm。此優(yōu)化支護數(shù)據(jù)在某礦取得較好的效果。

6 結(jié)論

(1)在一定預(yù)應(yīng)力下，隨著錨桿間距縮小，支護效果增強，當(dāng)錨桿增設(shè)到一定數(shù)量后，有效壓應(yīng)力的區(qū)域隨錨桿的支護密度增大而增大，然而錨固預(yù)應(yīng)力的擴散效果不隨其持續(xù)變化。因此，為增大錨桿間的間距，減小錨桿支護密度，減少錨桿數(shù)量，可通過提高錨桿的預(yù)應(yīng)力來實現(xiàn)。

(2)在確定的預(yù)應(yīng)力條件下，錨桿越長，預(yù)應(yīng)力的作用反而越不明顯，錨桿的主動支護能力越差。由此，施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)隨錨桿的增長而增大。反之，可以通過增加預(yù)應(yīng)力來適當(dāng)縮短錨桿的長度。

(3)垂直布置是近水平煤層巷道頂板角錨桿布置的首選。如施工原因必須有一定的角度，則角度應(yīng)小于10°。