龍泉煤業南膠帶大巷圍巖控制技術研究與應用

張崢嶸

(1.呂梁職業技術學院,山西 呂梁 032300;2.呂梁經濟技術開發區管委會,山西 呂梁 032300)

1 工程概況

太原煤炭氣化集團龍泉煤業南膠帶大巷主要為礦井提供運輸、行人等服務,巷道長度2 154.6 m。巷道頂板較破碎,節理裂隙發育,傾角較大,約12°～13°。巷道底板下有厚度為4.94～5.88 m的煤層,傾角多為5°～10°。該區域4#煤層頂板巖層主要由砂質泥巖及粉砂巖組成,局部為中細粒砂巖,巖性較硬,屬中—難冒落頂板。南膠帶大巷掘進斷面為矩形,掘進寬度5.7 m,高度3.75 m,斷面面積21.38 m2。為保障南膠帶大巷圍巖的穩定,對巷道圍巖控制技術進行分析。

2 圍巖控制技術

2.1 錨桿(索)支護理論

1)錨桿支護原理。現欲采用錨索-錨桿聯合加固方法對其進行支護,從而形成理論上的“雙重組合加固拱”。這種支護不但對破碎圍巖有控制的作用,還有效限制了圍巖的彈塑性變形，使巷道圍巖的變形大幅減小,最大程度地保證巷道斷面的充分利用,展現其優越的支護能力。

均勻壓縮帶(拱)理論認為,錨桿對巷道圍巖產生作用時,每一根錨桿的兩頭會形成錐形的筒狀壓縮區。如果錨桿之間的間距足夠小,排列成錨桿群,那么就會在巷道圍巖中形成均勻的、相互交錯重疊的應力支撐帶,就是組合拱或壓縮拱[1-2]。這種組合拱既承載著上部破碎圍巖的徑向壓力,又承載著該組合拱內部巖層產生的徑向及切向應力,整體巖層形成了三向應力狀態,使其圍巖強度提高,支撐能力也隨之加大,如圖1所示。

(a) 錨固體的均勻壓縮帶

(b) 錨桿支護的均勻壓縮拱圖1 錨桿支護均勻壓縮帶(拱)支護理論示意圖Fig.1 Theoretical schematic of even compression belt (arch) of bolt support

按組合拱理論,錨桿的間距與壓縮拱厚度的關系可由下式確定[3]:

(1)

式中:b′為組合拱或壓縮拱的厚度,m;l為錨桿有效長度,m;α為錨桿在破裂巖體中的控制角,(°);a′為錨桿的間排距,m。

錨桿的長度用下式確定:

l=N(1.5+B/10) .

(2)

式中:B為巷道跨度,5.7 m;N為圍巖穩定性影響系數,取1.1。

計算得錨桿長度l=2.27 m,再補充上一定的富裕值,最終將錨桿的支護長度定為2.4 m。

2)預應力錨索支護原理。預應力錨索不但具備預應力錨桿所擁有的對圍巖的加固能力,且因其長度特點,將其長錨索的錨頭錨入深部穩定巖層可以達到限制圍巖變形的效果。由于錨索長度較長,故其錨頭經過圍巖松動區和塑性變形區深入到原巖應力區進行錨固,根基就比錨桿深許多[4-5]。

生產錨索的材料具有高強度性,包括高強鋼絲、鋼絞線或鋼筋,最大抗張拉荷載能達到1 000～6 000 kN,煤礦常用的錨索也在200 kN以上。在其產生的預應力作用下,松散圍巖會出現彈性收縮,從而形成一個自我承載區域,提高了圍巖的整體承載能力,三維應力呈平衡狀態,通過圍巖的原有承載能力及預應力錨索的聯合力保障圍巖的穩定。每根錨索都可以看作一個鉸支點,把巷道頂板的整體承載分為一個個小跨梁(如圖2所示),把頂板的整體載荷均勻分布到每個絞支點上,這樣就提高了組合梁的整體受力極限,維護了巷道的穩固[6]。

圖2 錨索減跨作用原理示意圖Fig.2 Principle of span reduction of anchor cables

2.2 支護方案

分析南膠帶大巷的地質條件及對錨桿(索)支護原理的認知,采取如下具體支護方案。

1)頂板支護方案。錨桿采用MSGLW-500型。桿身為Φ22-M24-2400 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿;鉆頭直徑為30 mm,用端頭錨固方式進行錨固;兩支樹脂錨藥卷,規格分別為MSCK2335和MSCK2360;間排距850 mm×1 000 mm;錨桿梯子梁所用材料為Φ14 mm的鋼筋,長5 300 mm,寬100 mm;共布 7孔,孔間距850 mm。

錨索由Φ21.8 mm×7 000 mm預應力鋼絞線配樹脂錨固劑構成。利用端頭錨固方式進行錨固,共三支樹脂錨藥卷,包括一支MSCK2335和兩支MSCK2360錨固劑,配套直徑為30 mm的鉆頭;“二三五花”布置,兩根間排距為2 300 mm×2 000 mm,三根間排距為1 850 mm×2 000 mm;錨索托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強度可調心托板、半圓球型墊及配套鎖具。

2)巷幫支護方案。錨桿型號、鉆頭參數和錨固方式等都與頂板支護的錨桿布設相同,但其間排距設為900 mm×1 000 mm。

錨桿配件:半圓球型墊、高強錨桿螺母及托盤同頂板材料一致,并配合W鋼護板(規格400 mm×280 mm×3 mm)進行聯合支護。網片規格:網孔采用50 mm×50 mm規格,網片采用3 300 mm×1 200 mm規格,連接用的雙絲雙股扭結至少達到3圈,聯網間距至少每米10扣以上。

巷道錨桿的具體安裝角度、位置及各項支護參數如圖3所示。

2.3 數值模擬驗證

采用FLAC3D數值模擬軟件建立模型核驗該支護方案的可行性。數值模型的尺寸為200 m×80 m×60 m(高),按照建模初始應力平衡巷道開挖支護數值模擬結果進行分析研究,數值模擬結果如圖4所示。

圖3 南膠帶大巷優化支護斷面圖Fig.3 Cross-section view of Optimal support in south-wing belt conveyor transportation roadway

圖4 數值模擬結果示意圖Fig.4 Numerical simulation results

由圖4可知,巷道掘進過程中,兩巷幫圍巖的垂直應力集中區域(b)不是很大,其峰值達到了8.56 MPa;巷道頂底板部分區域出現一塊比較明顯的剪切應力區(c),峰值可達4.15 MPa;巷道的頂底板同時出現了小部分的的水平應力(a),峰值達到11.43 MPa。基于以上分析可知,巷道頂板及兩幫塑形區發育程度較小,錨桿(索)錨固巖層未出現塑形破壞。另外巷道在該種支護方案下,圍巖水平應力、剪切應力及垂直應力分布均勻,巷道兩幫水平應力集中程度較小。

綜合上述數值模擬分析結果,在該支護方案下，圍巖中的應力分布均勻,塑性區發育也處于合理范圍內,支護方案能夠保障巷道圍巖的穩定。

3 效果分析

3.1 測站布置

為驗證支護方案的可行性及支護效果,在滯后南膠帶大巷掘進頭8 m的位置處安置礦壓監測站,主要測量巷道表面的變形量和錨桿(索)的受力情況。利用十字布點法測量巷道的表面移近量。安裝7個錨桿測力計觀測錨桿(索)受力情況,頂板錨桿測力計3個,兩幫錨桿測力計各2個,分別安裝在第二、三根錨桿端頭處,均采用內大外小兩個托板將錨桿測力計夾在中間。

3.2 巷道表面位移分析

由以上測站觀測數據繪制出了巷道圍巖變形量-時間的變化曲線,如圖5所示。

圖5 巷道掘進期間圍巖變形量曲線圖Fig.5 Deformation curve of surrounding rock during roadway driving

分析圖5可知,膠帶順槽掘進期間,巷道圍巖的變形量隨著距掘進迎頭距離的增大而逐漸增大。其中,圍巖的變形主要發生在掘進工作面后方0～40 m;當監測斷面滯后掘進工作面40 m后,圍巖變形速率大幅減小,變形區域逐漸穩定。通過對比頂底板移近量和兩幫移近量的參數可知,巷道圍巖兩幫的移近量相對較大。當巷道圍巖處于穩定狀態后,兩幫和頂底板移近量的峰值分別達到了22 mm及86 mm,故掘進期間巷道圍巖移近量處于可控范圍內,基本保持穩定狀態。所以,南膠帶大巷采用的優化支護方案是符合工程要求的合理方案。

3.3 錨桿索受力情況

通過巷道掘進時巷幫錨桿和頂板錨索的受力狀態，以及錨桿(索)測力計測得的監測數據,繪制了幫部錨桿及頂板錨索隨時間變化的受力變化曲線,如圖6所示。

分析圖6(a)可知,巷道掘進期間,巷道幫部錨桿測力計G1整體呈增長的趨勢,受力大,峰值達109.02 kN(約為屈服載荷的57.38%),錨桿受力正常,無錨桿失效和拉脫的現象出現,仍在穩定承載范圍內;分析圖6(b)可知,錨索預應力173.9 kN,峰值203.04 kN (約為屈服載荷的40.61%),錨索受力也處于合理范圍內,無失效現象出現。

(a) 幫部錨桿

(b) 頂板錨索圖6 錨桿(索)受力曲線圖Fig.6 Curves of anchor (cable) stress

4 結論

根據南膠帶大巷的具體地質條件,通過分析錨桿(索)的支護原理,設計巷道錨網索支護方案,并在支護方案實施后進行礦壓監測。礦壓監測數據的結果表明,巷道兩幫和頂底板移近量的峰值分別達到了22 mm和86 mm,掘進期間的整體變形量處于合理范圍內,錨桿(索)受力也正常,該方案切實保證了巷道圍巖的穩定。