基于高強(qiáng)吸能錨桿支護(hù)的煤柱合理留設(shè)尺寸研究

林繼凱，張 彥，郝 陽

(1.山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

合理優(yōu)化煤柱尺寸不僅可以減少煤炭資源浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益，而且有助于生產(chǎn)管理，減少井下安全事故的發(fā)生[1]。針對煤柱尺寸留設(shè)不合理所造成的巷道變形、頂板垮落和底臌現(xiàn)象，諸多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，并取得了豐碩的成果[2-7]。目前，許多礦井采用高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)，在很多現(xiàn)場實(shí)踐中有效地維護(hù)了巷道的穩(wěn)定[8-14]。但是在采空區(qū)邊緣和強(qiáng)采動壓力的影響下，傳統(tǒng)支護(hù)方式往往不能滿足留設(shè)小煤柱巷道的支護(hù)要求[15]。以經(jīng)紡煤業(yè)3-508綜放工作面為研究背景，設(shè)計(jì)一種采用新型高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿的支護(hù)方案，經(jīng)過力學(xué)試驗(yàn)測試和數(shù)值模擬，研究結(jié)果證明了新支護(hù)方案適用于綜放工作面小煤柱巷道支護(hù)[16]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果為經(jīng)紡煤業(yè)其他工作面的煤柱留設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。

1 高強(qiáng)吸能錨桿機(jī)理研究

1.1 高強(qiáng)吸能錨桿構(gòu)造

新型高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿的結(jié)構(gòu)

錨桿構(gòu)造主要包括桿體，套管以及一圈剛性小球。該吸能錨桿是一種組合結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生工作阻力的機(jī)制主要是剛性小球與桿體、套管之間的接觸力在桿體軸向上的分力?，F(xiàn)場施工過程中，在圍巖鉆孔末端塞入樹脂藥卷，插入桿體，攪拌樹脂藥卷使桿體固定在鉆孔中，插入套管，安裝剛性小球，并安裝螺母，使組合結(jié)構(gòu)完成安裝。

與其他吸能錨桿相比，高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿的工作阻力穩(wěn)定，材料要求低，20#鋼、軸承及鋼珠均可在市面范圍內(nèi)獲得。

1.2 高強(qiáng)吸能錨桿工作機(jī)制

該吸能錨桿的工作阻力機(jī)理是由所有小球?qū)μ坠茉谳S向方向的接觸力的合力。吸能錨桿的工作機(jī)制如圖2所示。

當(dāng)圍巖產(chǎn)生沿巷道徑向的位移時，圍巖通過托盤，對套管產(chǎn)生拉力。隨著套管的運(yùn)動，套管和桿體之間的間距減小，則剛性小球會嵌入到套管和桿體中。由于套管斜面的存在，剛性小球會對套管產(chǎn)生沿徑向和軸向的接觸力。

圖2 高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿的工作機(jī)制

由于剛性小球與套管接觸，使得套管內(nèi)壁產(chǎn)生了塑性流動，因此，實(shí)現(xiàn)了恒定工作阻力的機(jī)制，該階段的工作阻力穩(wěn)定，吸能錨桿實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的工作阻力支護(hù)。“吸能”的內(nèi)涵是在穩(wěn)定的工作阻力下，套管隨著圍巖的變形能夠協(xié)調(diào)運(yùn)動，從而能夠釋放積聚在圍巖內(nèi)的彈性應(yīng)變能，同時對于以圍巖動能為主的能量釋放起到吸收的作用。當(dāng)剛性小球運(yùn)動到套管終點(diǎn)后，支護(hù)行程結(jié)束。

1.3 高強(qiáng)吸能錨桿的靜力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)

高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿的靜力學(xué)特性試驗(yàn)采取的是萬能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)的目的是對新型錨桿的靜力學(xué)特性進(jìn)行研究，對新型吸能錨桿功進(jìn)行了100多次靜態(tài)拉拔測試。測試試件抗拉特性的測定是通過將試件固定在最底部的夾頭，另一端隨著可調(diào)節(jié)高度的衡量來實(shí)現(xiàn)的。在拉拔試驗(yàn)期間，載荷和位移的獲取分別在自于底部固定端的力傳感器以及橫梁上的位移傳感器。

新的吸能錨桿的運(yùn)動過程如圖3所示，其運(yùn)動過程可以分為三個階段。

圖3 不同鋼珠數(shù)的吸能錨桿載荷-位移試驗(yàn)曲線

階段Ⅰ：該階段內(nèi)，剛性小球和套管、桿體的接觸應(yīng)力在套管、桿體材料的彈性極限內(nèi)。該階段整體位移太小，無法在載荷-位移曲線中明顯標(biāo)記。

階段Ⅱ：當(dāng)小球開始嵌入套管，此時接觸應(yīng)力超過套管的屈服點(diǎn)，當(dāng)工作阻力增加到115kN時，其增長速率將急速下降。這個現(xiàn)象表明剛性小球相對移動到斜面末端。a點(diǎn)和b點(diǎn)之間的位移約為27mm，此距離與斜面高度與鋼球半徑的差值基本相等。

階段Ⅲ：隨著套管的進(jìn)一步移動，從b點(diǎn)到c點(diǎn)的位移為273mm，工作阻力從115kN增加到120kN。吸能錨桿在穩(wěn)定工作阻力下，能夠?qū)鷰r起到長距離支護(hù)，通過其力與位移的塑性做功，達(dá)到吸收圍巖釋放的動能、對積聚的彈性應(yīng)變能起減緩作用。針對裝有不同鋼珠數(shù)的吸能錨桿分別進(jìn)行靜態(tài)拉拔測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 新型吸能錨桿的運(yùn)動過程

由圖4可知，錨桿在25mm的位移下，工作阻力迅速增加到峰值，這表明新型吸能錨桿可以在小變形的情況下及時的抑制圍巖的變形。當(dāng)工作阻力超過峰值載荷之后，鋼珠個數(shù)4個、6個和8個的錨桿工作阻力略有下降，這種震蕩現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是鋼在彈性極限和屈服極限內(nèi)震蕩，或者是由于小球個數(shù)少，造成接觸不穩(wěn)定。鋼珠個數(shù)9個的錨桿工作阻力在30mm的位移處沒有顯示出下降的現(xiàn)象。直到測試完成，工作阻力仍保持在120kN左右。這種現(xiàn)象可以解釋為剛性小球由于間距小，從而應(yīng)力疊加，使得套管快速到達(dá)其強(qiáng)度極限，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的嵌入深度，該過程在空間上和時間上均比較小，無法顯示阻尼階段。這個現(xiàn)象啟示新型吸能錨桿的恒定工作阻力的穩(wěn)定性可以隨著鋼珠數(shù)量的增多而增強(qiáng)。

2 工程概況與建立數(shù)值模型

2.1 經(jīng)坊煤業(yè)3-508地質(zhì)概況

該工作面埋深230m左右，工作面傾向長170m，地質(zhì)概況如圖5所示。

圖5 綜合柱狀圖

煤層賦存情況穩(wěn)定，3號煤平均厚度6.38m，煤層傾角為0°～3°，普氏硬度系數(shù)f=1.5。3-5081回采巷道斷面4.5m×2.5m，長974m，煤層頂板以中粒砂巖為主，巖層厚度7.3m，煤層下方直接底以細(xì)粒砂巖為主，巖層厚度約為4m。頂?shù)装辶严秾儆诰植堪l(fā)育，含水性一般視裂隙發(fā)育程度而定。

2.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

巷道支護(hù)方案見表1。原有支護(hù)參數(shù)中錨桿預(yù)緊力均為300N·m，錨桿錨固力100kN。頂部錨索預(yù)緊力150kN，錨固力250kN。新型支護(hù)方案中吸能穩(wěn)阻錨桿額定工作阻力為120kN，利用機(jī)械張拉裝置為其施加預(yù)緊力40kN。錨桿、錨索均采用樹脂加長錨固方式。

表1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)表

2.3 模型建立

以經(jīng)紡煤業(yè)3-508綜放工作面為工程背景，采取FLAC3D建立不同煤柱尺寸和不同支護(hù)方式的力學(xué)模型，X=279.5m，Y=200m，Z=50m，在X=50處開挖長×寬=4.5m×2.5m的矩形巷道，模型共劃分578340個單元，602276個節(jié)點(diǎn)。對模型邊界的法向位移進(jìn)行約束，即限制模型在X、Y方向的水平位移和在 Z方向的垂直位移，X=0、X=279.5m、Y=0、Y=200m和Z=0。

模型建立時忽略巖體中結(jié)構(gòu)面、裂隙等的影響，由于開挖影響范圍有限，縮小頂?shù)装鍘r層的厚度，模型高度為50m，故在建立數(shù)值模型的上部邊界施加4.5MPa的垂直載荷來等效代替上覆未建立180m巖層的影響。

2.4 模擬實(shí)驗(yàn)方案

模型工作面傾向170m，在巷道右側(cè)沿煤層走向依次開挖50m，100m，150m，200m。測線布置如圖6所示。在煤柱中間層位Y=0m，Z=13m，每間隔0.5m布置應(yīng)力測線，記錄煤柱受力特征。為了對巷道圍巖的變形等進(jìn)行監(jiān)測，模擬采用十字測點(diǎn)法，沿巷道軸線方向Y=0m，Z=10～12.5m，X=50～54.5m處設(shè)置位移測線，觀察隨采場開挖，巷道變形特征。

圖6 數(shù)值模型測線布置

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)四組數(shù)值模擬方案，變量控制見表2。

表2 模擬方案控制變量表

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 回采期間煤柱垂直應(yīng)力變化

不同模擬方案在回采期間的應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可知，采用高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿支護(hù)，煤柱寬度為25m時，煤柱主要承擔(dān)頂板壓力。應(yīng)力集中區(qū)域靠近采空區(qū)，距離巷道位置較遠(yuǎn)，巷道變形量小有利于巷道圍巖穩(wěn)定，但煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重。煤柱為10m時，巷道實(shí)體煤和煤柱均出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力分布為雙峰狀，說明煤柱已經(jīng)發(fā)生破壞，但仍具有承載能力，應(yīng)力集中區(qū)距離巷道較近，易造成脫錨現(xiàn)象，不利于巷道維護(hù)。煤柱寬度為5m時，煤柱內(nèi)巖體已經(jīng)完全塑性破壞，無法承擔(dān)巷道上方頂板壓力，應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在巷道左側(cè)實(shí)體煤內(nèi)，且距離巷道距離近，此時巷道處于最危險的狀態(tài)，圍巖變形嚴(yán)重，無法保證正常安全生產(chǎn)。當(dāng)改善巷道原有支護(hù)條件使用高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿加固后，留設(shè)5m煤柱，煤柱內(nèi)圍巖條件得到改善，煤柱承擔(dān)部分頂板壓力，應(yīng)力集中區(qū)位于實(shí)體煤內(nèi)遠(yuǎn)離巷道，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖7 不同尺寸煤柱垂直應(yīng)力分布

在煤柱中間層位，模型高度為13m處埋設(shè)測線，在回采過程中記錄并繪制不同煤柱尺寸的垂直應(yīng)力分布曲線如圖8所示。當(dāng)煤柱寬度25m，煤柱內(nèi)存在的最大應(yīng)力15.6MPa。當(dāng)煤柱寬度10m，巷道兩側(cè)均出現(xiàn)應(yīng)力集中，煤柱內(nèi)最大應(yīng)力為14.7MPa。當(dāng)煤柱寬度只有5m時，煤柱內(nèi)部圍巖破碎無法承擔(dān)較大應(yīng)力，最大應(yīng)力為5.1MPa。隨著煤柱寬度的降低，煤柱內(nèi)最大應(yīng)力下降，且應(yīng)力集中區(qū)域向巷道一側(cè)靠近，不利于維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定。當(dāng)改善巷道原有支護(hù)條件使用高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿加固后，留設(shè)5m煤柱，煤柱內(nèi)巖體雖然已經(jīng)發(fā)生塑性區(qū)破壞，但由于高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿作用，煤柱內(nèi)仍然具有殘余強(qiáng)度，最大應(yīng)力為7.2MPa。相比于傳統(tǒng)支護(hù)條件下留設(shè)5m煤柱，應(yīng)力集中區(qū)域向遠(yuǎn)離巷道方向偏移，有利于維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖8 不同煤柱垂直應(yīng)力曲線

3.2 回采期間不同尺寸煤柱塑性區(qū)變化

回采期間不同煤柱寬度塑性區(qū)變化如圖9所示。由圖9可知，25m煤柱中巷道周圍2～3m和工作面周圍8～10m存在塑性破壞區(qū)，煤柱中間12～15m范圍未出現(xiàn)塑性破壞，可稱之為彈性核區(qū)。

圖9 不同尺寸煤柱塑性區(qū)分布

10m煤柱塑性區(qū)已經(jīng)貫通，不存在彈性區(qū)。但是由于煤柱內(nèi)塑性區(qū)范圍較小，煤柱仍然承擔(dān)部分頂板壓力，此應(yīng)力無法及時轉(zhuǎn)移到實(shí)體煤側(cè)，造成了煤柱和巷道的變形，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)維護(hù)巷道穩(wěn)定。

5m煤柱的塑性區(qū)已經(jīng)完全貫通，而且巷道和工作面周圍的塑性區(qū)范圍較大，失去大部分承載能力，應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到實(shí)體煤側(cè)。巷道離應(yīng)力集中區(qū)較近，煤柱變形嚴(yán)重，無法進(jìn)行正常安全回采。

采用高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿支護(hù)方案下留設(shè)5m煤柱時，塑性區(qū)已經(jīng)完全貫通，但塑性區(qū)范圍相比于采用高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿下留設(shè)5m煤柱有所降低。吸能錨桿有效維護(hù)了煤柱的整體性，改善了圍巖條件，提高煤柱的強(qiáng)度防止煤柱被壓垮。

3.3 回采期間不同尺寸煤柱巷道變形情況

不同尺寸煤柱巷道變形量如圖10所示。原有支護(hù)條件下，煤柱寬度從5m增大到25m的過程中，頂板下沉量從663mm下降到122mm，兩幫移近量從542mm下降到108mm。隨煤柱寬度的增大，巷道變形量顯著下降。每個試驗(yàn)方案中頂板下沉量均高于巷道兩側(cè)移近量，說明維護(hù)巷道頂板是支護(hù)方案考慮的重點(diǎn)。

圖10 不同尺寸煤柱巷道變形曲線

采用高強(qiáng)樹脂錨桿支護(hù)方案留設(shè)5m煤柱巷道變形嚴(yán)重，無法保證正常安全生產(chǎn)。故采用高強(qiáng)穩(wěn)阻吸能錨桿支護(hù)留設(shè)5m煤柱，頂板下沉量138mm和兩幫移近量130mm，巷道變形量小，有效地改善巷道圍巖條件，維護(hù)巷道的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1)針對小煤柱沿空巷道變形大的特點(diǎn)，研發(fā)了由桿體、套管以及一圈剛性小球構(gòu)成高強(qiáng)吸能錨桿進(jìn)行巷道圍巖控制。錨桿工作阻力穩(wěn)定，適用范圍廣，材料要求低，20#鋼、軸承及鋼珠均可在市面范圍內(nèi)或得。

2)利用FLAC3D對經(jīng)坊煤業(yè)3-508工作面巷道受采動影響下的變形破壞特征進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，留設(shè)25m煤柱時，巷道頂板變形量122mm，煤柱向巷內(nèi)移近量108mm，支撐應(yīng)力15.6MPa。煤柱內(nèi)存在彈性區(qū)主要承擔(dān)頂板壓力，易造成煤柱應(yīng)力集中。留設(shè)寬煤柱使得煤炭資源開采率降低低。

3)采用高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿支護(hù)方式留設(shè)10m煤柱，煤柱支撐應(yīng)力相較25m煤柱有所下降，為14.7MPa，巷道位于應(yīng)力集中區(qū)，兩側(cè)均出現(xiàn)應(yīng)力集中，有安全生產(chǎn)隱患。留設(shè)5m的煤柱完全塑性破壞，巷道頂板下沉量高達(dá)663mm，兩幫移近量542mm，巷道變形嚴(yán)重。因此采用傳統(tǒng)錨桿支護(hù)方式不適合經(jīng)坊煤業(yè)3-508工作面留設(shè)5～10m小煤柱。

4)采用新型高強(qiáng)吸能錨桿留設(shè)5m煤柱，巷道變形量明顯降低，頂板下沉量138mm，兩幫移近量130mm。結(jié)果表明：考慮支護(hù)方案中的富裕系數(shù)，采用新型高強(qiáng)吸能錨桿支護(hù)方式對經(jīng)坊煤業(yè)3-508工作面留設(shè)5～10m小煤柱可以在保證安全生產(chǎn)的前提下，改善巷道圍巖條件，降低煤柱應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高煤炭開采率。