雙柳礦大斷面煤巷耦合讓壓支護(hù)技術(shù)研究

王建軍

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)雙柳煤礦,山西 柳林 033300)

煤礦井下回采巷道的安全與穩(wěn)定一直以來都是保障安全生產(chǎn)的重要屏障,與工作面高產(chǎn)高效相匹配,大斷面強(qiáng)運(yùn)輸能力已成為多數(shù)回采巷道的重要特征之一。但受多重地質(zhì)構(gòu)造與地下高應(yīng)力環(huán)境條件的限制,面對(duì)強(qiáng)采動(dòng)等開采因素的影響,該類巷道圍巖穩(wěn)定性的控制以及巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性仍值得進(jìn)一步深入研究。何富連等[1]在大斷面綜放煤巷穩(wěn)定性分析中指出，大尺寸斷面及支護(hù)不合理是圍巖發(fā)生破壞的主要原因;李柱等[2]通過巷道冒頂前礦壓現(xiàn)象分析得出頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因是支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性差以及支護(hù)失效;趙科等[3]在厚煤頂大斷面巷道研究中指出采用高預(yù)應(yīng)力錨桿索支護(hù)并適當(dāng)提高支護(hù)密度能夠?qū)\部圍巖施加更大壓應(yīng)力,進(jìn)而可以更好地控制頂板下沉；朱飛[4]、佐江宏[5]提出合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)方式是保證巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵;翟文立等[6]通過對(duì)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的分析提出高預(yù)緊力讓均壓支護(hù)設(shè)計(jì)思路,并對(duì)巷道進(jìn)行了錨網(wǎng)索支護(hù)改革;黃偉等[7]針對(duì)大斷面軟巖巷道采用了高強(qiáng)讓壓錨桿及鳥窩錨索協(xié)同支護(hù)的方式有效地治理了圍巖變形問題。

本文以雙柳煤礦2309運(yùn)巷為研究對(duì)象,針對(duì)其在掘進(jìn)中礦壓顯現(xiàn)明顯、圍巖變形不易控制等難題,采用有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,對(duì)巷道失穩(wěn)的原因進(jìn)行了分析,依據(jù)讓壓耦合支護(hù)理念,提出新型錨桿+鳥窩錨索耦合讓壓支護(hù)技術(shù)。經(jīng)試驗(yàn)應(yīng)用,優(yōu)化方案在節(jié)約支護(hù)成本和提高掘進(jìn)速度的同時(shí),能夠有效控制圍巖變形。

1 工程概況

雙柳煤礦2309運(yùn)巷位于礦井二采區(qū)前進(jìn)方向的南翼,為2309回采工作面運(yùn)煤皮帶巷兼進(jìn)風(fēng)巷。采區(qū)巷道位于一復(fù)雜的向斜構(gòu)造之上,煤層厚度3.25 m,其間含多層泥巖夾矸,煤層破碎、強(qiáng)度較低。巷道頂部為層狀相間的砂巖、炭質(zhì)泥巖,質(zhì)地較軟，裂隙發(fā)育;底板為大厚度層理交錯(cuò)的砂質(zhì)泥巖。

二采區(qū)2309運(yùn)輸巷為矩形斷面,寬5.4 m,高3.5 m。斷面支護(hù):頂部為Φ22 m×2.5 m高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,間排距0.8 m×1.0 m;幫部為Φ22 m×2.4 m高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,間排距0.9 m×1.0 m;頂部采用Φ21.8 m×6.4 m的低松弛(1×19)高強(qiáng)錨索,“三四”布置,排距1.0 m。

2 巷道面臨的支護(hù)難題

結(jié)合2309運(yùn)巷所處的地質(zhì)條件和圍巖實(shí)際破壞特征,分析出巷道所面臨的支護(hù)難題主要有以下四點(diǎn)。

1)構(gòu)造應(yīng)力影響。煤層為3+4#復(fù)合結(jié)構(gòu),層理裂隙發(fā)育;采區(qū)巷道多處于高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)域,在復(fù)雜高應(yīng)力和強(qiáng)采動(dòng)影響下,巷道周圍巖體破裂、支護(hù)難度大。

2)煤柱影響。2309運(yùn)巷與2307尾巷之間留設(shè)10.6 m煤柱,煤柱在采煤工作面超前和側(cè)向支承壓力的影響下發(fā)生了屈服變形,2309運(yùn)巷在掘進(jìn)期間煤柱側(cè)巷幫成型較差。

3)支護(hù)材料。現(xiàn)在使用的支護(hù)材料在產(chǎn)品性能、配件匹配性、錨固力、預(yù)緊力等方面有待優(yōu)化改進(jìn)。

4)支護(hù)成本與掘進(jìn)速度。由于生產(chǎn)接續(xù)的問題,既要盡量提高運(yùn)巷的掘進(jìn)速度又要降低支護(hù)成本,必須優(yōu)化支護(hù)方案。

3 耦合讓壓支護(hù)理念

在巷道掘進(jìn)過程中,由于受開挖擾動(dòng)的影響，巷道圍巖變形差異性較大,錨桿、錨索對(duì)圍巖的加固約束力同樣具有差異性和非線性。為防止錨桿、錨索破斷損壞,充分發(fā)揮錨桿、錨索共同對(duì)圍巖錨固的作用,提出協(xié)同耦合讓壓支護(hù)思路,實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)體和圍巖耦合協(xié)同作用。

3.1 錨桿(索)系統(tǒng)與圍巖間耦合

錨桿、錨索作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,只有其桿(索)體支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可縮性與圍巖體本身變形實(shí)現(xiàn)協(xié)同耦合,方可達(dá)到圍巖的穩(wěn)定平衡。圖1為耦合讓均壓錨桿工作特性曲線。

圖1 耦合讓均壓錨桿工作特性曲線Fig.1 Bolt working characteristic curves of coupling yielding pressure equalization

如圖1所示,普強(qiáng)錨桿支護(hù)強(qiáng)度較低,對(duì)高應(yīng)力適應(yīng)性較弱；高強(qiáng)錨桿破斷率極高,在發(fā)生破斷時(shí)允許變形和圍巖變形相差甚大，具有讓壓特性的錨桿(索)可發(fā)揮鋼材的可縮性特點(diǎn),利用耦合讓均壓特殊元件結(jié)構(gòu)改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作特性,實(shí)現(xiàn)支護(hù)體和圍巖體協(xié)同耦合作用,達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)目的。

3.2 錨桿與錨索間耦合

錨桿和錨索材質(zhì)、結(jié)構(gòu)不同,其物理力學(xué)性能存在差異,桿體的伸縮率遠(yuǎn)大于索體,但錨桿破斷極限遠(yuǎn)小于錨索,錨索加固范圍一般大于普通錨桿。這種物理力學(xué)性能差異如果在設(shè)計(jì)時(shí)考慮不充分,將會(huì)由于錨桿、錨索支護(hù)約束力相互不協(xié)調(diào)而造成支護(hù)加固損壞。尤其當(dāng)巷道處于高應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)條件時(shí),錨桿、錨索間支護(hù)變形和工作載荷難以實(shí)現(xiàn)協(xié)同耦合,同樣難以達(dá)到支護(hù)構(gòu)件與圍巖體共同耦合加固。由此,需采用協(xié)同讓壓支護(hù)思路使錨桿和錨索對(duì)圍巖約束變形和工作載荷相協(xié)調(diào)。

圖2為一般錨索與讓壓型錨索的工作特性對(duì)比曲線。由圖2可知,相較于一般錨索,讓均壓型錨索的延伸性明顯提高，具有耦合讓壓特性。

圖2 不同錨索工作特性對(duì)比曲線Fig.2 Comparison of working characteristic curves with different cables

4 試驗(yàn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

考慮到錨桿、錨索支護(hù)的結(jié)構(gòu)特性與圍巖本身應(yīng)力-變形之間的耦合機(jī)理,高應(yīng)力巷道協(xié)同讓壓支護(hù)原則為:在穩(wěn)定控制圍巖前提下,可允許支護(hù)結(jié)構(gòu)在屈服破斷前具有一定的可縮性和讓均壓作用,以減讓不必要的變形破壞載荷,以最大程度保護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)本身不被破壞。據(jù)此,結(jié)合雙柳礦采區(qū)巷道受高構(gòu)造應(yīng)力影響的特點(diǎn),選擇具有讓壓耦合作用的新型錨桿+鳥窩錨索錨固技術(shù),對(duì)2309運(yùn)巷進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化。

4.1 支護(hù)參數(shù)有限元分析

依據(jù)雙柳礦二采區(qū)巷道高構(gòu)造應(yīng)力地質(zhì)條件,建立有限元數(shù)值模型,圖3為有限元程序計(jì)算得出的巷道圍巖摩爾-庫侖安全系數(shù)分布圖。為實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制及安全,當(dāng)錨桿長(zhǎng)度2.4 m時(shí),錨桿錨固段位于較穩(wěn)定圍巖段。如錨桿過短則使得安全系數(shù)偏小,破碎圈圍巖得不到有效錨固,從而導(dǎo)致整體圍巖的穩(wěn)定性下降。

圖3 摩爾-庫侖安全系數(shù)分布Fig.3 Mohr-Coulomb safety factor distribution

圖4為不同錨桿安裝力條件下的頂板離層情況。由圖4可見，隨著錨桿安裝力的增加,不同深處的頂板離層及拉破壞程度均得到了較明顯的改善。當(dāng)錨桿安裝應(yīng)力較小(20 kN)時(shí),在頂板上方600,900,1 200 mm深處范圍內(nèi)有明顯的離層張口現(xiàn)象存在;當(dāng)錨桿安裝應(yīng)力增加至40 kN時(shí),頂板上方1 200 mm深度范圍內(nèi)的離層均消除閉合,頂板拉破壞區(qū)范圍減小,圍巖整體穩(wěn)定性明顯提高。

圖4 不同錨桿安裝力時(shí)的頂板離層特征Fig.4 Characteristics of roof separation under installation forces of different bolts

4.2 支護(hù)方案選取

結(jié)合支護(hù)參數(shù)有限元分析結(jié)果以及實(shí)際地質(zhì)開采條件,確定2309運(yùn)巷合理的支護(hù)方案,巷道優(yōu)化支護(hù)斷面圖如圖5所示。

圖5 巷道優(yōu)化支護(hù)斷面圖Fig.5 Cross-section diagram of optimized roadway support

如圖5所示,頂板和兩幫錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力讓均壓錨桿,配合150 mm×150 mm×8 mm高強(qiáng)球型托盤及12-15t單泡讓壓管,頂錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm,同時(shí)配合5 400 mm×280 mm×2.5 mm六孔W鋼帶及加厚鋼托盤;錨桿預(yù)緊力大于40 kN,施加扭矩大于200 N·m。頂錨索采用Φ18.9 mm×6 300 mm鳥窩耦合讓均壓錨索,配合300 mm×300 mm×12 mm高強(qiáng)球形托盤及21-25TB讓壓管,錨索三三布置,間排距1 600 mm×1 000 mm,錨索安裝載荷不小于120 kN。

5 工程應(yīng)用監(jiān)測(cè)

在二采區(qū)2309運(yùn)巷選取一段代表性地段,對(duì)基于讓壓理念的優(yōu)化方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掘巷試驗(yàn),在試驗(yàn)巷道段設(shè)置3個(gè)綜合監(jiān)測(cè)站,包括對(duì)巷道周邊收斂、錨桿(索)工作受載情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),以驗(yàn)證此次支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性與支護(hù)質(zhì)量。

圖6為優(yōu)化支護(hù)試驗(yàn)巷道某監(jiān)測(cè)斷面圍巖位移量監(jiān)測(cè)曲線圖。由圖6可見,在有效監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi),巷道優(yōu)化支護(hù)后巷道頂?shù)装彘g移近減小為52 mm,比原支護(hù)(348 mm)降低了85.6%;兩幫累積移進(jìn)量為47 mm,較原支護(hù)方案(246 mm)降低了80.9%;且經(jīng)優(yōu)化支護(hù)后,巷道圍巖在揭出后趨于穩(wěn)定的時(shí)間更短。

因此,對(duì)于高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)巷道,采用讓壓耦合支護(hù)技術(shù)后,成本低、速度快,巷道支護(hù)強(qiáng)度提高,實(shí)現(xiàn)了安全回采。

圖6 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Deformation curves of surrounding rock

6 結(jié)論

1)根據(jù)有限元分析,設(shè)置合理的錨桿長(zhǎng)度能夠保證巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地錨固至圍巖松散破碎帶以外的穩(wěn)定巖層當(dāng)中,同時(shí)增加錨桿安裝力能夠有效地消除頂板離層以及減小圍巖拉破壞,從而提高圍巖整體穩(wěn)定。

2)基于錨桿(索)對(duì)圍巖加固約束的差異性,提出協(xié)同耦合讓壓支護(hù)思路,實(shí)現(xiàn)支護(hù)構(gòu)件聯(lián)合體與圍巖體協(xié)同加固作用。對(duì)雙柳礦2309運(yùn)巷提出新型錨桿+鳥窩錨索耦合讓壓支護(hù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了巷道支護(hù)優(yōu)化。

3)經(jīng)工程試驗(yàn)及礦壓監(jiān)測(cè)表明,優(yōu)化支護(hù)后的巷道頂板累積收斂量較原支護(hù)減少了85.6%,兩幫累積移進(jìn)量較原支護(hù)減少了80.9%,表明協(xié)同耦合讓壓支護(hù)技術(shù)可節(jié)約支護(hù)成本,提高成巷速度,實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定控制與回采生產(chǎn)安全。