大斷面巷道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

郝長(zhǎng)勝 尹 旭 尚 東 徐 仁

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010)

★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采★

大斷面巷道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

郝長(zhǎng)勝 尹 旭 尚 東 徐 仁

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010)

通過(guò)分析補(bǔ)連塔礦煤層采動(dòng)規(guī)律及現(xiàn)有支護(hù)方式下巷道破壞規(guī)律，得出大斷面巷道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)。利用FLAC3D模擬軟件在不考慮原應(yīng)力場(chǎng)條件的情況下，研究各支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定影響，通過(guò)分析不同支護(hù)參數(shù)在巷道支護(hù)中的不同影響，從而確定大斷面巷道支護(hù)選擇支護(hù)參數(shù)方面的相關(guān)原則。研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨桿參數(shù)優(yōu)化后支護(hù)效果達(dá)到了理想值，為類似條件下的巷道支護(hù)提供了工程實(shí)例。

大斷面巷道 預(yù)應(yīng)力支護(hù) 支護(hù)參數(shù)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采強(qiáng)度與規(guī)模的顯著增加，大斷面巷道越來(lái)越多，其圍巖控制問(wèn)題也日益重要。大斷面巷道在原始地應(yīng)力的影響下變形急劇加大，冒頂事故頻發(fā)，巷道兩幫片幫嚴(yán)重，巷道支護(hù)難度增加，嚴(yán)重危害巷道圍巖的穩(wěn)定性和巷道維護(hù)。錨桿支護(hù)已經(jīng)成為此類巷道的有效支護(hù)方式，但不合理的支護(hù)參數(shù)選擇不僅會(huì)導(dǎo)致成本的增加，而且導(dǎo)致巷道圍巖頻繁破壞，嚴(yán)重制約著煤礦安全高效生產(chǎn)，因此解決大斷面巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題十分迫切。錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化是錨桿支護(hù)技術(shù)的一個(gè)重要步驟，合理的匹配方案能夠完全發(fā)揮錨桿的支護(hù)效果。錨桿參數(shù)優(yōu)化是通過(guò)調(diào)節(jié)錨桿長(zhǎng)度、間距、角度、錨固方式與預(yù)應(yīng)力值的參數(shù)發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用，使得錨桿的加固作用與巷道圍巖的自承作用相互疊加，形成高壓應(yīng)力區(qū)，達(dá)到錨固區(qū)與圍巖的共同承載效果。通過(guò)錨桿參數(shù)優(yōu)化不僅能夠解決巷道圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題，而且可以降低支護(hù)成本，減少巷道維修返修的費(fèi)用。

1 工程基本概況

補(bǔ)連塔礦一井五區(qū)運(yùn)輸大巷布置在主、副斜井底，擔(dān)負(fù)著一井四采區(qū)和五采區(qū)煤炭運(yùn)輸外運(yùn)的任務(wù)。西側(cè)布置有五采區(qū)區(qū)5-1回采工作面，南端深部延伸至五采區(qū)運(yùn)輸下山，五采區(qū)運(yùn)輸大巷距離5-1工作面約90 m。五采區(qū)5-1工作面埋深247～168 m，可采長(zhǎng)度500 m，傾斜寬186 m。煤層厚度4.1～5.6 m，平均厚度4.5 m。巷道原支護(hù)方式為錨桿、菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

2 原支護(hù)方式及評(píng)價(jià)

運(yùn)輸大巷原設(shè)計(jì)支護(hù)方案頂板的支護(hù)方式為錨桿、菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。桿體為?16的圓鋼錨桿，長(zhǎng)度為1600 mm，間排距為2000 mm×2000 mm。每排3根錨桿，中間一根垂直巷道走向軸線，頂板的兩角錨桿斜率為10°夾角。錨固長(zhǎng)率為1100 mm。兩幫的支護(hù)方式為錨桿、菱形金屬網(wǎng)。桿體為?16的圓鋼錨桿，長(zhǎng)度為1600 mm，正幫間排距為1400 mm×1400 mm，負(fù)幫間排距為1200 mm×1200 mm，每排錨桿各3支，兩幫錨桿垂直布置，錨固長(zhǎng)度為1100 mm。巷道圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

運(yùn)輸大巷在工作面未進(jìn)行回采時(shí)，頂板和兩幫變形量較小。受工作面回采的影響，巷道頂板發(fā)生嚴(yán)重變形，特別是位于工作面前方40 m處的負(fù)幫側(cè)頂板發(fā)生嚴(yán)重變形，甚至出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)被拔出，底板兩側(cè)也出現(xiàn)了變形量不均勻的底鼓現(xiàn)象，巷道圍巖穩(wěn)定無(wú)法得到保證。兩幫變形量明顯增大，煤幫出現(xiàn)鼓出現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，同樣嚴(yán)重影響巷道的正常使用和工作面高產(chǎn)高效性能的發(fā)揮。

表1 補(bǔ)連塔礦運(yùn)輸大巷煤層分布

3 運(yùn)輸大巷模型建立及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 模型建立

在不考慮巷道圍巖原應(yīng)力場(chǎng)的條件下，利用FLAC3D模擬軟件模擬各支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)影響。通過(guò)分析不同支護(hù)參數(shù)在支護(hù)巷道中的不同影響，從而確定在選擇支護(hù)巷道支護(hù)參數(shù)方面的相關(guān)原則。巷道為矩形巷道，尺寸為6.0 m×4.3 m，巷道布置在煤層中，沿頂板進(jìn)行掘進(jìn)。煤層巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 補(bǔ)連塔礦運(yùn)輸大巷煤層巖體物理力學(xué)參數(shù)

具體數(shù)值模擬方案為：預(yù)設(shè)錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN時(shí)，模擬錨桿長(zhǎng)度分別為1.6 m、2.0 m和2.4 m、錨桿間距分別為500 mm、1000 mm和2000 mm、錨桿安裝角度分別為0°、30°和60°時(shí)以及錨桿向巷道圍巖提供不同預(yù)應(yīng)力時(shí)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)影響

當(dāng)錨桿向巷道圍巖提供60 kN預(yù)應(yīng)力、錨桿長(zhǎng)度分別為1.6 m、2.0 m和2.4 m時(shí)應(yīng)力場(chǎng)分布情況如圖1所示。由圖1可知，長(zhǎng)度為1600 mm的各錨桿在上部巖層中形成了一定范圍的壓應(yīng)力區(qū)，且形成的壓應(yīng)力錨固區(qū)相互組合形成高壓應(yīng)力區(qū)，但高壓應(yīng)力區(qū)范圍相對(duì)較小。在距頂板表面垂直距離較遠(yuǎn)的頂板深處形成一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，同時(shí)在兩幫和底板圍巖中也形成應(yīng)力值較小的壓應(yīng)力區(qū)，有效地增加了圍巖的強(qiáng)度，提高了兩幫和底板的穩(wěn)定性。而當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2.0 m和2.4 m時(shí)，在巷道頂板形成的高壓應(yīng)力區(qū)厚度與范圍有一定的增大，形成了較大的錨固區(qū)，但頂板深部拉應(yīng)力區(qū)沒(méi)有明顯變化。兩幫的壓應(yīng)力范圍也沒(méi)有改善，中部錨桿所提供的壓應(yīng)力值反而有所下降，不利于巷道圍巖穩(wěn)定性控制。

圖1 不同錨桿長(zhǎng)度巷道圍巖中預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布

3.2.2 錨桿間距對(duì)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)影響

當(dāng)向巷道圍巖提供60 kN預(yù)應(yīng)力、錨桿間距分別為500 mm、1000 mm和2000 mm時(shí)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖2所示。當(dāng)錨桿間距為500 mm時(shí)，由于錨桿間距小，所形成的壓應(yīng)力區(qū)彼此之間相互疊加，使得在巷道頂板深處的壓應(yīng)力區(qū)與錨固的壓應(yīng)力區(qū)連接起來(lái)，形成了穩(wěn)定的支護(hù)系統(tǒng)。對(duì)比錨桿間距2000 mm時(shí)的分布圖可以看出，錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)疊加的支護(hù)效應(yīng)明顯減弱，主動(dòng)支護(hù)構(gòu)成的錨固區(qū)無(wú)法有效與深部圍巖壓應(yīng)力區(qū)形成整體，這樣的支護(hù)方式對(duì)巷道頂板圍巖穩(wěn)定影響較大。但當(dāng)錨桿間距減小到一定程度后繼續(xù)增大，錨桿密度對(duì)保持巷道圍巖穩(wěn)定的影響不大，因此要合理布置錨桿間距。

圖2 不同錨桿間距預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布

3.2.3 錨桿安裝角度對(duì)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)影響

錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN，安裝角度為0°、30°和60°時(shí)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布情況如圖3所示。由圖3可以看出，安裝角度為0°時(shí)，巷道頂板的壓應(yīng)力錨桿與角錨桿應(yīng)力區(qū)相互疊加，但形成的高壓應(yīng)力區(qū)范圍較小且沒(méi)有形成整體支護(hù)。當(dāng)為傾斜角度為30°時(shí)，傾斜錨桿與中部錨桿所形成的壓應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)離斷現(xiàn)象，疊加效應(yīng)減弱，使得在頂板內(nèi)所形成的壓應(yīng)力值偏小，且在頂板深處幾乎不存在高壓應(yīng)力區(qū)，但在頂、底板中的拉應(yīng)力區(qū)范圍基本沒(méi)有明顯變化。當(dāng)安裝角度為60°時(shí)，巷道頂板的所形成的壓應(yīng)力區(qū)疊加效應(yīng)更弱，甚至彼此之間出現(xiàn)獨(dú)立單元，進(jìn)一步降低頂板壓應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力值，不利于控制巷道頂板的變形量。

圖3 不同錨桿傾斜角度預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布

3.2.4 錨桿錨固方式對(duì)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)影響

錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN、采用不同錨桿錨固方式時(shí)，巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布情況如圖4所示。由于端部錨固時(shí)錨桿的自由段較長(zhǎng)，使得巷道頂板與兩幫均能形成大范圍的壓應(yīng)力區(qū)，而且能夠?yàn)閲鷰r深部壓應(yīng)力區(qū)提供高應(yīng)力。錨桿所錨固的區(qū)域與原巖應(yīng)力區(qū)形成一個(gè)很好的支護(hù)整體，能夠?qū)ο锏绹鷰r進(jìn)行穩(wěn)定的支護(hù)。與端部錨固相比，加長(zhǎng)錨固由于錨桿自由段較短，在巷道頂板和兩幫形成壓應(yīng)力區(qū)范圍相對(duì)較小。當(dāng)錨桿的錨固方式為全長(zhǎng)錨固時(shí)，錨桿無(wú)自由段，所以在巷道圍巖中形成的有效壓應(yīng)力區(qū)范圍和厚度變得更小，預(yù)應(yīng)力錨桿所產(chǎn)生的錨固區(qū)作用更小，特別是在巷道頂板深處形成的高壓應(yīng)力區(qū)范圍較小，從而無(wú)法使得與錨桿錨固端附近形成的高壓應(yīng)力區(qū)連接在一起而形成統(tǒng)一的整體性支護(hù)，同時(shí)頂、底板深處所形成的拉應(yīng)力區(qū)范圍變化不明顯。通過(guò)分析，在預(yù)應(yīng)力一致的條件下，端部錨固所形成的支護(hù)效果比加長(zhǎng)錨固和全長(zhǎng)錨固二者的支護(hù)效果好。

3.2.5 錨桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)影響

錨桿向巷道圍巖提供不同預(yù)應(yīng)力時(shí)，巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布情況如圖5所示。對(duì)比提供100 kN、150 kN和200 kN預(yù)應(yīng)力時(shí)的錨桿支護(hù)情況可知，預(yù)應(yīng)力為100 kN時(shí)，通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨桿只在巷道頂板深部形成較小的高壓應(yīng)力區(qū)，而且與錨桿端頭所形成的高壓應(yīng)力區(qū)之間無(wú)法疊加，沒(méi)有形成完整的支護(hù)，使預(yù)應(yīng)力錨桿的主動(dòng)支撐能力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定沒(méi)有完全體現(xiàn)。預(yù)應(yīng)力為150 kN時(shí)，巷道頂板和兩幫所形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍增大和疊加的壓應(yīng)力區(qū)值明顯增高，而且在頂板深處所形成的高壓應(yīng)力區(qū)范圍變大，幾乎與錨桿形成的錨固區(qū)相關(guān)聯(lián)，形成統(tǒng)一的整體支護(hù)，并在底板形成了較大范圍的壓應(yīng)力區(qū)。預(yù)應(yīng)力為200 kN時(shí)，壓應(yīng)力區(qū)范圍沒(méi)有明顯的變化。

圖4 不同錨固方式的巷道圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布

圖5 不同錨桿預(yù)應(yīng)力下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

3.3 運(yùn)輸大巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)運(yùn)輸大巷的數(shù)值模擬分析結(jié)果，提出以下支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案：考慮到巷道頂板變形量不一，所以運(yùn)輸大巷巷道頂板布置4根錨桿，錨桿的長(zhǎng)度為1800 mm,間距為分別為900 mm、1800 mm、1200 mm、1800 mm和300 mm，兩角錨桿與巷道水平走向垂線成30°角。巷道兩幫分別布置4根錨桿，錨桿排距為1600 mm，間距分別為800 mm、1100 mm、1100 mm、1100 mm和200 mm，兩角錨桿與巷道頂板夾角為60°。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量位移，在運(yùn)輸大巷50 m處進(jìn)行試驗(yàn)。頂板與兩幫采用改進(jìn)后的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)。頂板變形量的測(cè)量采用頂板離層儀，兩幫變形量的測(cè)量采用多點(diǎn)位移計(jì)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄。對(duì)改進(jìn)支護(hù)參數(shù)后的試驗(yàn)巷道與原支護(hù)方案的巷道圍巖變形量進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出，在進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后巷道的位移量減小，兩幫的變形量也得到了有效控制，巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?34 mm，位移速度為17.3 mm/d，巷道兩幫的變形量為130 mm，位移速度為15 mm/d。因此改進(jìn)支護(hù)參數(shù)后的運(yùn)輸大巷符合礦井安全生產(chǎn)要求，達(dá)到了控制圍巖穩(wěn)定的要求。

表3 支護(hù)方案變形參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，確定對(duì)補(bǔ)連塔礦運(yùn)輸大巷的支護(hù)方案，取得了良好的支護(hù)效果，通過(guò)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)匹配，降低了支護(hù)成本，減少了巷道維護(hù)次數(shù)。在分析支護(hù)參數(shù)對(duì)大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性影響時(shí)得出以下幾點(diǎn)規(guī)律：

(1)在錨桿長(zhǎng)度選擇時(shí)應(yīng)盡量符合以下規(guī)律：確定錨桿長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)提供足夠的長(zhǎng)度以確保錨桿能夠與巷道圍巖形成穩(wěn)定的錨固區(qū)來(lái)支撐圍巖穩(wěn)定；錨桿長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，否則也會(huì)影響承載結(jié)構(gòu)的承載能力；錨桿長(zhǎng)度的確定還應(yīng)注意施工難度及成本的因素。

(2)在確定錨桿間距時(shí)應(yīng)遵循以下原則：增大錨桿間距有利于加快成巷速率和減小支護(hù)成本，但應(yīng)注意巷道圍巖支護(hù)效果；錨桿間距可以與錨桿材料參數(shù)及預(yù)緊力相互協(xié)調(diào)。

(3)在選擇錨桿安裝角度時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：一般情況下頂板的兩角的錨桿與巷道垂線方向成10°～25°錨桿深入兩幫頂板有利于抑制巷道垮落；在兩幫處角錨桿容易與兩幫頂部錨桿形成錨固區(qū)，有利于增強(qiáng)兩幫圍巖穩(wěn)定。

(4)全長(zhǎng)錨固相對(duì)比端部錨固和加長(zhǎng)錨固具有提高錨桿抗剪能力，能夠有效防止圍巖沿節(jié)理面相對(duì)滑動(dòng)，減小巷道圍巖變形。但全長(zhǎng)錨桿無(wú)自由段，錨桿施加的預(yù)緊力作用范圍小，無(wú)法有效的與深部高壓應(yīng)力區(qū)形成統(tǒng)一整體支護(hù)。所以要根據(jù)頂板的實(shí)際情況，在保證合理壓應(yīng)力場(chǎng)范圍的同時(shí)選擇錨桿的錨固形式。

(5)在選擇錨桿預(yù)應(yīng)力值時(shí)應(yīng)考慮巷道上部圍巖性質(zhì)并結(jié)合支護(hù)密度，不應(yīng)一味增大預(yù)應(yīng)力值，這樣可以減少施工難度提高成巷率。

[1] 于正軍. 大采高回采巷道圍巖變形控制研究及支護(hù)優(yōu)化[D]. 河北工程大學(xué)，2014

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Studyonoptimizationofpre-stressedboltsupportparametersforlargesectionroadway

Hao Changsheng, Yin Xu, Shang Dong, Xu Ren

(School of Mining & Coal, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, Inner Mongolia 014010, China)

By analyzing the mining-induced movement laws of coal seam in Bulianta Mine and the laws of roadway failure under existing support mode, the basis of pre-stressed bolt support parameter optimization for large section roadway was obtained. Using FLAC3D simulation software to study the influence of each support parameter on the stability of roadway surrounding rock without considering the conditions of the original stress field, the influence of different support parameters on the stability of support roadway was analyzed to determine the relevant principles of support parameters. The results showed that the support effect of the pre-stressed anchor parameters reached the ideal value after optimization, providing engineering reference for roadway support under similar conditions.

large section roadway, pre-stressed support, support parameter

內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(S20151012708)

郝長(zhǎng)勝，尹旭，尚東等. 大斷面巷道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(12)：80-84.

Hao Changsheng, Yin Xu, Shang Dong, et al. Study on optimization of pre-stressed bolt support parameters for large section roadway [J]. China Coal，2017,43(12)：80-84.

TD353

A

郝長(zhǎng)勝(1963-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士，教授，主要從事煤礦地下開(kāi)采方面的研究。

(責(zé)任編輯 陶 賽)