不同最大水平主應(yīng)力方向下巷道的錨桿支護(hù)技術(shù)研究

陳廣帥，張小康

(霍州煤電集團(tuán)責(zé)任有限公司技術(shù)研究院，山西霍州031400)

1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與分析

在李雅莊礦六采區(qū)進(jìn)行了3個(gè)測(cè)站的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，第1測(cè)站在六采區(qū)上部6091巷內(nèi)，第2測(cè)站布置在軌道巷中，距第1測(cè)站1500m，第3個(gè)測(cè)站布置在6081巷，測(cè)站具體位置如圖1所示。

第1測(cè)站最大水平主應(yīng)力為20.91MPa，最小水平主應(yīng)力為11.44MPa，垂直應(yīng)力為12.44MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹19.0°W。第2測(cè)站最大水平主應(yīng)力為12.04MPa，最小水平主應(yīng)力為6.40MPa，垂直應(yīng)力為14.49MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹34.9°E。第3測(cè)站最大水平主應(yīng)力為14.62MPa，最小水平主應(yīng)力為8.40MPa，垂直應(yīng)力為15.03MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹57.2°E。第3測(cè)站邊上20m處有落差11m的大斷層，測(cè)試結(jié)果反映了斷層附近地應(yīng)力有較大的變化;第1測(cè)站周邊沒(méi)有地質(zhì)構(gòu)造的影響，測(cè)試結(jié)果能夠比較好地反映原巖應(yīng)力。當(dāng)六采區(qū)巷道周邊沒(méi)有大的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，所受應(yīng)力水平應(yīng)與第1測(cè)站相差不大［1－2］。

六采區(qū)煤層回采過(guò)程中，大多數(shù)回采巷道的軸線方向基本上與6081巷、6091巷和軌道巷3條巷道中其中一個(gè)的軸線方向一致，本文以這3條巷道軸線方向?yàn)榈湫停芯坎煌街鲬?yīng)力方向下巷道圍巖的破壞規(guī)律與錨桿支護(hù)技術(shù)研究。由地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知，最大水平主應(yīng)力與6081巷道軸線方向夾角為59°，與軌道下山軸線夾角為32°，與6091巷道軸線夾角47°。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型及模擬方案

以李雅莊礦回采巷道為數(shù)值模擬對(duì)象，巷道斷面為矩形，寬5m，高3.6m。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層平均厚度3.3m，近水平賦存。煤體強(qiáng)度平均值為13.96MPa。頂板為粉砂巖和細(xì)砂巖，平均強(qiáng)度為52.01MPa。底板為細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，平均強(qiáng)度為54.11MPa。最大水平主應(yīng)力為20.91MPa，最小水平主應(yīng)力為11.44MPa，垂直應(yīng)力為12.44MPa。

模擬方案:分別模擬最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線夾角為32°，47°和59°時(shí)圍巖應(yīng)力分布、變形與破壞范圍。模型應(yīng)力邊界條件根據(jù)最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線的夾角確定［3］。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可以得到3個(gè)巷道圍巖最大主應(yīng)力分布云圖，如圖2所示，3個(gè)巷道圍巖塑性區(qū)如圖3所示。

圖2 不同夾角的圍巖最大主應(yīng)力分布

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)分布

(1)巷道開(kāi)挖后，巷道的頂板和底板出現(xiàn)垂直應(yīng)力降低區(qū)，巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，隨著巷道軸線與最大水平應(yīng)力夾角的增大，垂直應(yīng)力降低區(qū)和集中區(qū)面積和形狀均有變化。當(dāng)夾角為32°時(shí)，垂直應(yīng)力降低區(qū)主要分布在巷道頂板及其上部和巷道底板及其下部;當(dāng)夾角為47°和59°時(shí)，應(yīng)力降低區(qū)向巷道兩頂角的斜上方和兩底角的斜下方轉(zhuǎn)移。水平應(yīng)力在兩幫和頂?shù)装甯浇苄〉姆秶鷥?nèi)出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，隨著巷道軸線與最大水平應(yīng)力夾角的增大，頂板和底板的應(yīng)力集中區(qū)面積增大。

(2)巷道圍巖最大主應(yīng)力值在頂板上部和底板下部一定距離內(nèi)達(dá)到最大值，隨著巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角的增大，距離巷道頂?shù)装逶浇Ｗ畲笾鲬?yīng)力在巷道周邊呈現(xiàn)橢圓形分布，橢圓形長(zhǎng)軸在水平方向上，且隨著巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角的增大，最大主應(yīng)力逐漸向頂?shù)装灏l(fā)展，橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與短軸長(zhǎng)度比例不斷增大。

(3)巷道開(kāi)挖后，在巷道周?chē)霈F(xiàn)塑性區(qū)，當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為32°時(shí)，巷道兩幫塑性區(qū)深度略大于頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育深度;當(dāng)夾角為47°時(shí)，頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育深度明顯大于兩幫塑性區(qū)發(fā)育深度;當(dāng)夾角為59°時(shí)，塑性區(qū)在巷道周邊基本上呈均勻分布，頂?shù)装鍨榧羟衅茐模瑑蓭秃欣瓚?yīng)力破壞。

(4)圖4為巷道軸線與最大水平主應(yīng)力不同夾角時(shí)巷道頂、底板和兩幫最大變形值。當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為32°和47°時(shí)，巷道頂、底板變形量大于兩幫變形量。夾角為47°時(shí)，巷道圍巖變形明顯增大，頂?shù)装遄冃卧龃笞蠲黠@。當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為59°時(shí)，頂?shù)装逦灰屏棵黠@減小，為3個(gè)角度中最小值，兩幫變形量和夾角32°時(shí)基本持平。由巷道圍巖最大變形量可以看出當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為47°時(shí)，巷道穩(wěn)定性最差。

圖4 巷道圍巖最大變形值

總的來(lái)說(shuō)，巷道圍巖的變形破壞特征與其軸線與最大水平主應(yīng)力方向的夾角的大小有著密切的關(guān)系，相對(duì)于32°和59°夾角來(lái)說(shuō)，當(dāng)夾角為47°時(shí)，巷道圍巖變形破壞最為嚴(yán)重，特別是頂、底板的破壞比較嚴(yán)重。

3 支護(hù)措施及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 支護(hù)方案

隨著錨桿支護(hù)理論和技術(shù)的發(fā)展，以及近些年來(lái)錨桿支護(hù)在煤巷中的廣泛應(yīng)用和施工機(jī)具與工藝的完善，按照一次支護(hù)、高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散、“三高一低” (即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度)、相互匹配、可操作性、經(jīng)濟(jì)合理等原則提出3種夾角類型巷道支護(hù)措施［4－5］。

考慮到施工的需要，針對(duì)3種夾角的巷道提出2種支護(hù)方案，方案一為當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為32°和59°時(shí)，采用同一種支護(hù)方案;方案二為當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為47°時(shí)，需要加強(qiáng)支護(hù)。以李雅莊礦6081巷斷面尺寸為例，矩形斷面，掘進(jìn)寬度5.2m，高度3.7m，掘進(jìn)斷面積為19.24m2。

3.1.1 支護(hù)方案一

圖5為方案一的支護(hù)示意圖。頂板錨桿排距1000mm，每排6根錨桿，間距900mm;錨桿采用桿體直徑為22mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋錨桿，屈服強(qiáng)度335MPa，長(zhǎng)度2400mm，螺紋長(zhǎng)度150mm，桿尾螺紋為M24;采用加長(zhǎng)錨固的方式，采用2只樹(shù)脂藥卷，1支規(guī)格為 CK2340，1支規(guī)格為Z2360;采用高強(qiáng)錨桿螺母M24，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托盤(pán)采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，規(guī)格為150mm×150mm×8mm，鋼號(hào)不低于Q235，采用8號(hào)鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格 50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格5600mm×1100mm。用16號(hào)鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連;同時(shí)采用厚度4mm，寬280mm，長(zhǎng)度450mm的W鋼護(hù)板護(hù)頂;錨桿全部垂直頂板安裝，錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到300N·m，但不能超過(guò)500N·m。頂板錨索為1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索直徑為22mm，延伸率7%，長(zhǎng)度5300mm，鉆孔直徑30mm，采用3支樹(shù)脂藥卷，1支規(guī)格為CK2340，2支規(guī)格為Z2360;錨索托盤(pán)采用300mm×300mm×14mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，承載能力不低于500kN，托盤(pán)拱高不低于60mm;錨索為“二·二間隔”布置，排距2000mm，間距1800mm。全部垂直巷道頂板打設(shè)，錨索預(yù)緊力為250kN，考慮張拉損失，錨索初始張拉力不低于300kN。

圖5 方案一支護(hù)示意

兩幫錨桿排距1000mm，每排每幫4根錨桿，間距1000mm。桿體為直徑22mm，材料為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，屈服強(qiáng)度335MPa，長(zhǎng)度2400mm，螺紋長(zhǎng)度150mm，桿尾螺紋為M24;采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固方式，采用2支樹(shù)脂藥卷，1支規(guī)格為CK2340，1支規(guī)格為 Z2360，鉆頭直徑為30mm;采用高強(qiáng)錨桿螺母M24，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托盤(pán)采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，規(guī)格為150mm×150mm×8mm，鋼號(hào)不低于Q235;采用W鋼護(hù)板護(hù)幫，厚度為4mm，寬280mm，長(zhǎng)度450mm。采用金屬網(wǎng)護(hù)幫，材料為8號(hào)鐵絲，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格3600mm×1100mm，用16號(hào)鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連;錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到300N·m，但不能超過(guò)500N·m;錨桿全部垂直巷幫打設(shè)。

3.1.2 支護(hù)方案二

當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為47°時(shí)，巷道圍巖的變形破壞較為嚴(yán)重，需要加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，方案二中支護(hù)措施是在方案一的基礎(chǔ)上加強(qiáng)支護(hù)而得，把方案一中巷道頂部W鋼護(hù)板護(hù)頂改為用W鋼帶護(hù)頂。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

李雅莊礦開(kāi)采2號(hào)煤，當(dāng)前采區(qū)為六采區(qū)，埋深在600m左右，埋藏深度較大，六采區(qū)還剩余大量回采工作面，下一步掘進(jìn)以回采巷道為主，該礦回采巷道原來(lái)支護(hù)存在的問(wèn)題有:巷道支護(hù)密度大，支護(hù)效果一般，導(dǎo)致礦上采掘銜接緊張;地質(zhì)構(gòu)造段巷道支護(hù)效果差，掘進(jìn)期間巷道不得不“前方掘進(jìn)、后方起底”，回采期間巷道不得不起底、刷幫。

李雅莊礦井下進(jìn)行了3根錨桿的拉拔試驗(yàn)，錨固力均能達(dá)到要求，還進(jìn)行過(guò)W鋼護(hù)板試驗(yàn)，試驗(yàn)效果較好。采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索和W鋼護(hù)板支護(hù)，錨桿、錨索間排距比原來(lái)放大0.2m，提高單根錨桿強(qiáng)度，提高預(yù)緊力，這樣巷道支護(hù)材料成本與原支護(hù)方式支護(hù)材料成本相差不大;巷道支護(hù)效果明顯改善，巷道在掘進(jìn)期間表面位移如圖6所示，變形很小，保證了圍巖的完整性，在巷道表面形成了一個(gè)穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，將來(lái)能夠抵御回采產(chǎn)生的超前集中應(yīng)力影響，實(shí)現(xiàn)巷道的一次支護(hù)，并且巷道掘進(jìn)速度每月提高約20m，掘進(jìn)速度得到大幅度提高。

圖6 巷道表面位移

目前，W鋼護(hù)板支護(hù)效果已經(jīng)得到礦上高度認(rèn)可，該礦已開(kāi)始自己加工W鋼護(hù)板，在所有掘進(jìn)的回采巷道中使用，大幅度提高了支護(hù)效果與掘進(jìn)速度，錨桿排距由800～900mm放到1000mm，極大地緩解了該礦采掘銜接緊張的狀況。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于3種類型的巷道，當(dāng)巷道軸線方向與最大水平主應(yīng)力呈47°夾角時(shí)，巷道圍巖變形破壞較為嚴(yán)重，特別是頂、底板;當(dāng)巷道軸線方向與最大水平主應(yīng)力呈59°夾角時(shí)，巷道頂、底板變形破壞范圍最小，與兩幫破壞程度和夾角為32°時(shí)相當(dāng)。

(2)巷道圍巖中最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力時(shí)，要特別關(guān)注巷道頂、底板的破壞;在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要控制頂板和兩幫圍巖的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上盡量減小底鼓，爭(zhēng)取做到不起底。

(3)井下實(shí)踐表明，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索和鋼護(hù)板支護(hù)，巷道支護(hù)效果明顯改善，巷道基本上沒(méi)有變形，保證了圍巖的完整性，在巷道表面形成了一個(gè)穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，將來(lái)能夠抵御回采產(chǎn)生的超前集中應(yīng)力影響，同時(shí)提高了掘進(jìn)速度。

［1］倪興華.地應(yīng)力研究與應(yīng)用 ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

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