錨桿桁架在松軟破碎頂板巷道控制中的應(yīng)用研究

尹愛新

（山西省潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036700）

礦山巷道安全事故中，由于頂板原因造成的事故占1/2[1]。地質(zhì)構(gòu)造作用、巖體強(qiáng)度低及巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育等，易造成頂板松軟破碎，該條件下較差的圍巖整體性和自穩(wěn)能力，漏垮型局部冒頂事故頻發(fā)。朱浮聲，鄭雨天等[2]通過(guò)理論分析和理論計(jì)算等方法，根據(jù)錨桿桁架的支護(hù)機(jī)理，推導(dǎo)出錨桿桁架的理論計(jì)算公式，為錨桿桁架支護(hù)研究奠定理論基礎(chǔ)；呂慶剛[3]通過(guò)ANSYS對(duì)不同錨桿桁架進(jìn)行校核，確定最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，并取得良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，具有研究借鑒價(jià)值；劉玉德，李兵等[4]針對(duì)百善煤礦巷道支護(hù)維修困難等問(wèn)題，研發(fā)出“三段鉸接矩形”式桁架，改善了巷道控制效果。本文結(jié)合理論分析計(jì)算和數(shù)值模擬等方法，對(duì)潞寧煤礦松軟破碎頂板巷道的錨桿桁架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)展開研究。

1 工程背景

潞寧煤業(yè)公司煤礦井田地質(zhì)條件中等，可采煤層為2#、3#煤層。22115運(yùn)輸順槽位于2#煤層二二采區(qū)22115工作面，與22113工作面回風(fēng)順槽相距10m，22113工作面即將回采完成，22115工作面及巷道待采掘。22113和22115工作面埋深均為500m，煤層均厚3.8m，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)夾矸。直接頂下部為3～6m的泥巖和砂質(zhì)泥巖，上部為7～9m的粉砂巖，基本頂為6～10m的細(xì)砂巖，直接底為4～19m的砂質(zhì)泥巖，基本底為2～3.5m細(xì)砂巖。22113回風(fēng)順槽和22115運(yùn)輸順槽頂板巖體3～6m為泥巖或泥質(zhì)砂巖，穩(wěn)定性差，強(qiáng)度較低，空氣潮濕條件下巖體易產(chǎn)生泥化、崩解現(xiàn)象，頂板軟巖易破碎。為避免局部漏頂事故的產(chǎn)生，妥善控制巷道頂板，潞寧煤業(yè)采用工字鋼梁架棚式支護(hù)形式，對(duì)22113回風(fēng)順槽破碎頂板進(jìn)行二次支護(hù)，提高了巷道的穩(wěn)定性。但工字鋼梁架棚式支護(hù)耗時(shí)耗力，易造成鋼梁壓死、無(wú)法回收等問(wèn)題，巷道支護(hù)成本提高，生產(chǎn)效率下降。為避免相似工程背景條件下的22115運(yùn)輸順槽掘進(jìn)及工作面回采過(guò)程中頂板出現(xiàn)破碎漏頂事故，對(duì)22115運(yùn)輸順槽破碎頂板的穩(wěn)定性控制技術(shù)研究極其關(guān)鍵。

2 錨桿—桁架聯(lián)合支護(hù)分析

破碎頂板有效管理的關(guān)鍵在于對(duì)薄弱環(huán)節(jié)或易產(chǎn)生構(gòu)造處采取針對(duì)性加固措施、加強(qiáng)支護(hù)，減小采動(dòng)過(guò)程中巷道頂板塑性破壞范圍。頂板錨桿—桁架組合式支護(hù)，對(duì)于松軟破碎頂板條件下圍巖變形較大、傳統(tǒng)支護(hù)困難的巷道控制具有一定的適用性。

2.1 錨桿桁架支護(hù)結(jié)構(gòu)

錨桿—桁架聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)由五個(gè)主要構(gòu)件組成，分別為托盤、水平拉桿、墊板、拉緊螺栓、錨桿，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巷道錨桿桁架結(jié)構(gòu)圖

2.2 錨桿桁架支護(hù)原理

由圖1可知，錨桿桁架聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)水平拉桿的預(yù)緊作用產(chǎn)生主動(dòng)支護(hù)作用，支護(hù)機(jī)理：

（1）改善頂板應(yīng)力狀態(tài)。由于頂板桁架的主動(dòng)作用，可以減小頂板中部危險(xiǎn)區(qū)的拉應(yīng)力，使頂板梁中性軸下移。

（2）松軟破碎頂板條件下的巷道掘進(jìn)過(guò)程中，頂板的破壞和變形規(guī)律符合“巖梁”理論，此時(shí)由于頂板裂隙梁形成的類似拱狀結(jié)構(gòu)，直接決定了巷道的穩(wěn)定性程度。該條件下錨桿支護(hù)應(yīng)考慮摩擦作用和組合梁作用。對(duì)于圖2裂隙頂板，桁架提供的水平壓力T顯然增大了沿巷道軸向的一組裂隙的摩擦系數(shù)，增高了裂隙梁的“完整性”，有利于頂板梁的成拱作用。

圖2 桁架支護(hù)頂板裂隙梁作用

（3）提高頂板裂隙梁抗剪能力。根據(jù)巖梁成拱原理，當(dāng)巖梁自重和原巖應(yīng)力引起的拱座處水平推力不足以組織剪切滑動(dòng)力時(shí)，頂板將發(fā)生整體剪切滑動(dòng)，錨桿—桁架構(gòu)成的聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)中，在拉緊螺栓處水平拉桿預(yù)緊力疊加，促使頂板裂隙或破碎區(qū)域處摩擦力的增加，直接增大了松軟破碎頂板裂隙梁的抗剪強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)頂板的有效控制。

3 錨桿—桁架支護(hù)效果模擬

基于頂板錨桿桁架聯(lián)合支護(hù)理論對(duì)潞寧煤礦的22115運(yùn)輸順槽進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。22115運(yùn)輸順槽寬4.3m，高3.6m，較原支護(hù)方案，采用錨桿—桁架聯(lián)合支護(hù)，巷道頂板角錨桿傾斜30°布置。支護(hù)優(yōu)化圖如圖3。

圖3 22115運(yùn)輸順槽支護(hù)優(yōu)化圖

為了研究頂錨桿桁架結(jié)構(gòu)對(duì)于巷道的控制效果，采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件對(duì)采用桁架前后的巷道控制效果進(jìn)行反演模擬。

（1）建立模型

根據(jù)礦井地質(zhì)條件及工程背景，建立數(shù)值模擬模型，模型長(zhǎng)40m，高40m，寬50m，對(duì)模型四周及底部位移限制。為清晰反應(yīng)巷道附近應(yīng)力變化，網(wǎng)絡(luò)采用放射狀網(wǎng)格布置，研究巷道區(qū)域局部加密網(wǎng)格。模型頂部施加垂直應(yīng)力10MPa，四周施加水平應(yīng)力10MPa，模擬巷道地應(yīng)力場(chǎng)分布，應(yīng)力梯度采用FLAC默認(rèn)遞增梯度。錨桿、錨索采用結(jié)構(gòu)單元中的cable結(jié)構(gòu)單元模擬，桁架采用beam結(jié)構(gòu)單元模擬，中部鉸接。模型屈服準(zhǔn)則采用莫爾—庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系，對(duì)巷道及附近巖層單獨(dú)分組賦值，地層賦值參數(shù)參考相關(guān)資料[5]。

（2）模擬結(jié)果分析

為對(duì)比方案優(yōu)化前后巷道控制效果差異，對(duì)方案優(yōu)化前后的巷道控制效果反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。采用不同支護(hù)方案的巷道塑性區(qū)如圖4所示，巷道位移云圖如圖5所示。

圖4 不同支護(hù)方案下巷道塑性區(qū)圖

由圖4可知，原支護(hù)方案巷道塑性區(qū)破壞主要為剪切破壞，頂板塑性區(qū)最大破壞范圍為1.83m，兩幫塑性區(qū)最大破壞范圍為1.5m左右。采用優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道頂板塑性區(qū)最大破壞范圍為1.18m，破壞范圍下降38.3%；兩幫塑性區(qū)破壞范圍為1.5m左右，基本不變。

圖5 不同支護(hù)方案下巷道位移云圖

由圖5可知，原支護(hù)方案巷道兩幫相對(duì)位移量231.12mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移133.42mm；優(yōu)化后巷道兩幫相對(duì)位移量77.27mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移42.91mm。支護(hù)方案優(yōu)化后，巷道控制效果良好，兩幫相對(duì)位移量下降66.57%，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量下降67.84%。數(shù)值模擬反演結(jié)果表明，優(yōu)化后支護(hù)方案對(duì)于松軟破碎頂板具有一定的適用性，有利于巷道穩(wěn)定性的提高。

4 工程應(yīng)用

為解決松軟破碎頂板巷道控制效果差的問(wèn)題，將頂板錨桿—桁架聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)引入潞寧煤礦22115工作面運(yùn)輸順槽。自采用該支護(hù)優(yōu)化方案以來(lái)，巷道位移得到了有效控制，掘進(jìn)期間，頂板完整，迄今為止，巷道未出現(xiàn)明顯變形。為進(jìn)一步檢驗(yàn)巷道的穩(wěn)定性，對(duì)支護(hù)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)22115運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間巷道的表面位移進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。在巷道的中部400～600m區(qū)段布置測(cè)站，測(cè)站每40m一個(gè)，共布置5個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站2個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用十字法，掘進(jìn)初期，每日一次，掘進(jìn)后期，一周兩次，對(duì)巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選取5個(gè)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 巷道表面位移圖

由圖6可知，巷道掘進(jìn)初期（6d內(nèi)），巷道頂板和兩幫相對(duì)位移量迅速增加至59.8mm和38mm，6d后巷道位移速度逐漸下降，巷道掘進(jìn)34d時(shí)，巷道頂板和兩幫相對(duì)位移速度由11.75mm/d和6.5mm/d降至0.1mm/d和0mm/d。此時(shí)巷道遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面，基本不受采動(dòng)影響，巷道位移量相對(duì)較小。80d時(shí)，巷道頂板和兩幫相對(duì)位移為99.2mm和80mm，巷道斷面收縮率為4.59%，說(shuō)明掘進(jìn)期間采用優(yōu)化方案后的巷道控制效果較優(yōu)。

5 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用錨桿—桁架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)有利于巷道穩(wěn)定性控制的實(shí)現(xiàn)和頂板的管理。

（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道采用優(yōu)化支護(hù)方案后，斷面收縮率僅為4.59%，符合穩(wěn)定性巷道標(biāo)準(zhǔn)。

（3）此次研究不僅解決了潞寧煤業(yè)松軟破碎頂板的巷道支護(hù)問(wèn)題，也為類似工程地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)提供參考和借鑒，錨桿—桁架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)具有應(yīng)用和推廣價(jià)值。