王莊煤礦9105工作面回風順槽錨桿支護優化研究

申李華

(山西潞安環保能源開發股份有限公司 王莊煤礦,山西 長治 046031)

煤礦生產過程中廣泛使用的錨桿支護技術[1]不但可以提高巷道的安全穩定性,節省巷道使用成本,而且能夠加快施工進度,節省企業施工成本,具有操作簡單、使用方便的優點。國內外學者對錨桿錨固長度對巷道穩定性的影響進行了廣泛研究。曹剛等[2]提出在錨桿支護時要結合圍巖等特征選取錨固長度;李福海等[3]以錨桿彈性極限承載力公式為基礎,分析推導出錨桿錨固長度臨界值la和界面剪切剛度k1的計算表達式;劉超等[4]研究發現，極限抗拔承載能力隨錨固段長度的增加而增加;姚強嶺等[5]提出樹脂錨固長度的增加能夠提高錨固體承載能力;王瓊洋等[6]提出可以利用超聲導波在錨桿錨固段中的群速度來檢測錨固質量;張耀升等[7]明確了注漿巖錨在半無限錨固長度下的受力機理;張福明等[8]提出了巖石中拉力型錨桿臨界錨固長度的判別方法;黃明華等[9]基于錨固界面的一種非線性剪切滑移模型,采用荷載傳遞方法分析了錨固長度對錨桿受力特性的影響;方文凱等[10]采用數值模擬的方法,探討了錨桿(索)長度及布設間距的優化取值問題。通過不同錨固長度等效替代的方法可以找出一種既滿足施工簡便性要求,又能安全錨固的方案。

為了解決王莊煤礦錨桿錨固長度長、施工難度大的情況,本文以王莊煤礦9105工作面為工程背景,根據工程地質條件確定錨桿支護方式,根據原支護方案對錨桿的錨固長度進行優化[11],利用UDEC數值模擬軟件分析了錨桿在不同錨固長度下對巷道圍巖穩定性的影響[12],同時在現場進行了試驗驗證。優化后的錨固長度可以滿足巷道圍巖穩定性要求。

1 工程概況

王莊煤礦9105工作面位于81采區,工作面地面標高為903～932 m,工作面標高為377～522 m,運輸巷的走向長度為3 650.8 m,風巷的走向長度為3 578.9 m,風巷和運輸巷的可采長度均為3 432 m,工作面傾斜長度為339 m,9105工作面設計采出量為1 030.56萬t。9105工作面煤層平均厚度為6.52 m,老頂為細粒砂巖,層厚為0.45～9.80 m；直接頂為粉砂巖,層厚為0.77～5.82 m；煤層為3#煤層,層厚為6.03～7.00 m,直接底為泥巖,層厚為0.65～1.50 m,老底為細粒砂巖,層厚為2.65～3.30 m。工作面柱狀圖,如圖1所示。

圖1 9105工作面柱狀圖

2 數值模擬

2.1 支護方案的提出

試驗采用數值模擬的方法。錨桿在錨固巖層中可能存在的情況包括:錨固端在大剛度單一厚巖層中、錨固端在小剛度單一厚巖層中以及錨固端在大剛度和小剛度相間的巖層中,為此試驗設計的錨桿錨固端分3種情況。為了尋找最優錨固長度,設計自由段長度分別為1 m、1.5 m和1.4 m,錨固段長度分別為1 m、0.5 m和0.6 m的試驗模型。錨桿為線彈性材料,在前期對圍巖穩定性判別的基礎上,利用大型數值計算軟件UDEC模擬不同支護方案下巷道的穩定性。采用平面應變模型,模型尺寸為50 m×33 m,模型上方施加均布荷載模擬上覆巖層的壓力。試驗中錨桿錨固段處于7層圍巖中,數值模型見圖2。

圖2 數值計算模型圖

如圖2所示,試驗中設計的錨固段巖層包含7層,通過改變巖體物理參數來實現巖層厚度和特性組合的變化。當7層巖體參數都相同時,即為單一厚巖層,試驗中分別模擬硬巖中錨固、較軟巖層中錨固和軟硬交替巖層中錨固3種情況,則錨固劑黏結錨桿和巖體的特性為f=0.2,c=2 kPa,f′=0.006 7,試驗中p=5 MPa。數值模擬巖石參數如表1所示。

表1 數值模擬巖石參數

前期的現場測試表明,原支護方案下巷道可以維持穩定,在實際施工中錨固長度為1 m的錨桿施工難度大且錨固效果達不到實際要求。為了降低施工難度,提高施工效率,故需對錨桿錨固長度進行優化。根據錨桿黏錨力的研究結果,在模擬計算中,分析巷道在無支護(方案1)、原支護(方案2)及優化支護后(方案3)的巷道穩定性狀況。巷道寬度為5.5 m,高度為3.45 m,頂板錨桿排寬0.9 m,錨索排寬2.7 m,距離巷道1.5 m,錨索之間的間距為2.5 m,如圖3所示。在方案2中,巷道的頂板支護可以采用每排7根φ22 mm的螺紋鋼錨桿,頂板錨桿左右間距850 mm,頂角錨桿距幫部200 mm,頂角錨桿向兩幫傾斜15°,采用長度為7.3 m的φ18.9 mm錨索2根,錨索錨固長度為2 200 mm。兩幫支護采用每幫4根φ22 mm的螺紋鋼錨桿,錨桿上下間距為950 mm,錨桿錨固長度為500 mm和1 000 mm交替錨固。在方案3中,支護方式與方案2類似,區別在于錨桿錨固長度為600 mm。

(a)方案2的巷道支護布置圖

2.2 方案1模擬結果分析

圖4為無支護條件下,動態模擬巷道圍巖位移過程中,不同時間的圍巖狀態模擬圖。由圖4可知,對比變化較為明顯的3種效果圖,發現圍巖將從頂板首先冒落,隨后圍巖破壞區域擴大,幫部發生片幫和垮塌,最終巷道整體失穩。

(a)無支護時前期巷道圍巖位移

2.3 方案2模擬結果分析

初始應力場平衡后,通過開挖和施工錨桿、錨索,進行后續巷道穩定性分析。為了能清晰掌握巷道的穩定性變化,通過繪制巷道圍巖位移圖、應力圖及錨桿錨索受力圖，以研究巷道圍巖的穩定性狀況,如圖5所示。由圖5分析可知,巷道在支護條件下可以維持巷道圍巖的穩定,巷道的最大豎向位移約7 cm,發生在巷道頂板中央，最大水平位移發生在巷道幫部中央約為3.5 cm處。豎向應力分布在巷道頂部,呈半橢圓狀,巷道頂板、底板出現明顯的豎向應力卸壓區。剪應力區域主要分布在巷道頂板兩角斜向上方區域。錨桿最大荷載為7.35 t,錨索最大荷載為6.47 t,滿足王莊煤礦9105工作面巷道圍巖穩定性要求。

(a)巷道支護斷面圖

2.4 方案3模擬結果分析

方案3的模擬流程與方案2相同,在初始應力場平衡后,通過開挖和施作錨桿、錨索,進行后續巷道穩定性分析。為了能清晰掌握巷道的穩定性變化,通過繪制巷道圍巖位移圖、應力圖及錨桿錨索受力圖以研究巷道圍巖的穩定性狀況,如圖6所示。數值模擬結果表明,巷道在方案3支護下可以維持巷道圍巖的穩定,最大豎向位移發生在巷道頂板中央,其值約8.8 cm；最大水平位移發生在巷道幫部中央,其值約為4.5 cm。豎向應力在巷道頂部呈半橢圓狀,巷道頂板、底板出現明顯的豎向應力卸壓區。剪應力區域主要分布在巷道頂板兩角斜向上方區域,最大剪應力4.4 MPa。錨桿最大荷載為7.93 t,錨索最大荷載為6.98 t。

(a)巷道支護斷面圖

對比3種支護方案可知,方案1在巷道頂部兩端由于礦壓作用會發生應力集中現象,巷道會發生破碎直至坍塌,顯然無支護巷道比較危險。方案2相較于方案3的位移、應力和剪切應力都小,效果相對較好,但二者差別不大。方案3不僅可以滿足巷道穩定性的要求,而且可以加快施工進度,提高經濟效益,故可優先采用方案3。綜上分析表明,采用方案3可以完全滿足巷道圍巖的穩定性控制要求,故錨桿錨固長度可采用600 mm。

3 現場試驗

結合方案3,對9105回風巷局部采用錨固長度為600 mm的錨桿進行標定試驗后,在該巷道距巷道口150 m左右的區域內進行大量的錨桿測試,可得出部分錨桿數據。使用CMT12礦用錨桿彈性波無損檢測儀進行檢測,其中一個錨桿的固端反射時間為630 μs,底端反射時間為844 μs,基頻為6.6 kHz,由這3個參數可算出,錨固長度為0.58 m,固結波速為3 383 m/s,荷載為47.39 kN,錨固質量為優。

使用CMT12礦用錨桿彈性波無損檢測儀在王莊礦進行工業試驗,如表2所示。在9105回風巷中通過尋找特征錨桿共測試了82根錨桿,其中頂錨桿測試了32根、幫錨桿測試了50根。使用CMT12礦用錨桿彈性波無損檢測儀測出來的固結波速進行分析,可以得出該區域錨桿的錨固質量合格率可以達到95.1%。使用表2的測試結果與王莊礦壓做比較發現二者基本一致,滿足巷道圍巖穩定性要求。

表2 9105回風巷錨桿測試結果統計分析

根據現場實際測量巷道圍巖變形結果(表3),其變形量范圍符合要求,巷道圍巖穩定,可知支護方案符合巷道穩定性要求。

表3 9105工作面巷道圍巖的實際變形量

4 結論

根據錨桿加固理論,對錨桿的錨固長度進行研究,通過對錨固長度的優化,得出最優的錨固方案。

1)數值模擬研究表明，巷道采用錨固長度為600 mm的錨桿時可滿足巷道的穩定性要求。

2)在9105工作面進行現場試驗,試驗結果與數值模擬結果相吻合,優化支護方案滿足巷道穩定性要求,而且可以加快施工進度,提高經濟效益。