強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)巷道錨桿支護(hù)方案特征研究

周 明 劉建剛

（1.六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與機(jī)械工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2. 貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州 六盤水 553017）

1 工程概況

以貴州發(fā)耳煤礦13207工作面作為強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究試驗(yàn)地點(diǎn)，13207工作面兩順槽采用矩形斷面，斷面尺寸為4200mm×3400mm，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，20×2000mm的等強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800mm×800mm，采用端頭錨固。錨索直徑為18.9 mm，間排距1400mm×1600mm，錨索長6.5m，并根據(jù)現(xiàn)場頂煤厚度和頂板變化進(jìn)行調(diào)整。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立數(shù)值模型

數(shù)值模擬模型參照貴州發(fā)耳煤礦13207工作面地質(zhì)條件，13207工作面埋深平均為1000m左右，屬于深井工作面。為了模擬再現(xiàn)巷道開挖及采取支護(hù)措施后的應(yīng)力分布情況，數(shù)值模擬以13207工作面綜合地質(zhì)柱狀圖為基礎(chǔ)，對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行適當(dāng)簡化，巖層傾角按0°考慮，為了更好地模擬效果，并與動(dòng)載模擬作比較，適當(dāng)加大了模型。建立的模型尺寸為長204m，高134m；巷道寬4.2m，高3.4m，左邊界距巷道左幫100 m，右邊界距巷道右?guī)?00m；煤層厚度為5m，底板52m，覆巖52m，共劃分9.64×10個(gè)基本單元。

2.2 模擬方案及步驟

為了研究沖擊危險(xiǎn)巷道在靜載條件下不同支護(hù)方案的煤層巷道圍巖塑性區(qū)及位移場的分布情況。主要研究當(dāng)沖擊危險(xiǎn)巷道采用錨桿支護(hù)時(shí)，支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，分析巷道采用不同支護(hù)參數(shù)時(shí)，巷道的圍巖位移場及塑性區(qū)的分布情況。該文主要研究的支護(hù)參數(shù)包括錨桿長度、錨桿排距。考慮到我國煤礦巷道的地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件、煤巷支護(hù)的需要、錨桿的加工與施工等因素，錨桿的長度范圍1.6m~2.8m。煤礦巷道錨桿間排距一般為650mm~1100mm。基于以上這些錨桿支護(hù)參數(shù)，結(jié)合理論分析，設(shè)計(jì)了兩組支護(hù)方案，每組支護(hù)方案包括3種支護(hù)方案。兩組不同的支護(hù)方案具體如下。

試驗(yàn)組一支護(hù)方案：第一組支護(hù)方案主要研究在沖擊危險(xiǎn)巷道中不同錨桿長度對(duì)圍巖穩(wěn)定性、位移場、塑性區(qū)分布的影響。第一組方案采用直徑為22mm、強(qiáng)度為500MPa的高強(qiáng)樹脂錨桿加金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿間距為700mm，頂板用直徑18.9mm、長度6500mm、間排距1400mm×1600mm的錨索加強(qiáng)支護(hù)。錨桿長度分別為1.6m、2.4m、2.8m。具體支護(hù)方案見表1。

表1 試驗(yàn)組一錨桿支護(hù)模擬方案

試驗(yàn)組二支護(hù)方案：第二組支護(hù)方案主要研究在沖擊危險(xiǎn)巷道中不同錨桿間排距對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性、位移場、塑性區(qū)分布的影響。第二組方案同樣采用直徑為22mm、強(qiáng)度為500MPa的高強(qiáng)樹脂錨桿加金屬網(wǎng)支護(hù)，用錨桿長度為2.4m、頂板直徑18.9mm、長度 8250mm、間排距2250mm的錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨桿間距分別為1000mm、700mm、500mm。具體支護(hù)方案見表2。這兩組模型賦予相同的煤層及其頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，只是采取不同的巷道支護(hù)方案來分析不同錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道圍巖位移場及塑性區(qū)分布的影響情況。

表2 試驗(yàn)組二錨桿支護(hù)模擬方案

FLAC數(shù)值模擬模型運(yùn)算至原巖應(yīng)力靜壓平衡狀態(tài)；開挖巷道，計(jì)算至平衡，得到各種支護(hù)方案的模擬結(jié)果；對(duì)比分析上述模擬結(jié)果中位移場及塑性區(qū)的分布情況，在該基礎(chǔ)上分析巷道防沖能力。

3 強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)巷道不同支護(hù)方案靜載特征分析

3.1 試驗(yàn)組一不同錨桿長度的靜載分析

巷道開挖卸荷后，由于應(yīng)力轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的次生應(yīng)力集中導(dǎo)致圍巖力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，巷道的破壞主要是剪切破壞和拉伸破壞等形式，不同控制方式的巷道圍巖塑性區(qū)分布特征不同。從表3可以看出，在巷道周圍形成的塑性區(qū)域隨錨桿長度的增加而變小，說明隨著錨桿長度的增加，錨桿對(duì)圍巖的控制效果逐步提高。

表3 數(shù)值模擬塑性區(qū)占比

由表4可以看出，當(dāng)采用方案1支護(hù)巷道后，巷道頂部和幫部的變形量分別為1.6×10、1.5×10；當(dāng)采用方案2支護(hù)巷道后，巷道頂板和幫部的變形量分別為1.3×10、1.2×10；當(dāng)采用方案3支護(hù)巷道后，巷道頂板和幫部的變形量分別為0.9×10、0.85×10；與方案1相比，采用方案2支護(hù)巷道后，巷道頂板和幫部的變形量分別減少了18.7%、20%；與方案2相比，采用方案3支護(hù)巷道后，巷道頂板和幫部的變形量分別減少了30.7%、29.1%。靜載條件下，增加錨桿長度可以有效控制巷道頂板和幫部的變形量。

表4 數(shù)值模擬巷道頂板、幫部水平變形量

巷道采用不同長度錨桿支護(hù)后，巷道幫部垂直應(yīng)力曲線如圖1所示。

由圖1可知，在巷道開挖后，巷道幫部出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)。采用方案1支護(hù)巷道后，應(yīng)力降低區(qū)距離幫部1m~4m，應(yīng)力峰值位于幫部向里5m處；采用方案2支護(hù)巷道后，應(yīng)力降低區(qū)距離幫部向里1m~7m，應(yīng)力峰值位于幫部向里10m處；采用方案3支護(hù)巷道后，應(yīng)力降低區(qū)增加幫部1m~8m，應(yīng)力峰值位于幫部向里11m處；由此得出結(jié)論，錨桿長度加長后，可增大巷道周圍的應(yīng)力降低區(qū)，使應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移。

圖1 不同支護(hù)方案幫部垂直應(yīng)力曲線

因此，在靜載條件下，隨著錨桿長度的增加，巷道周圍的塑性變形區(qū)在減少，巷道幫部的應(yīng)力降低區(qū)范圍增大，巷道幫部的側(cè)向支承壓力向深部轉(zhuǎn)移；增加錨桿長度可以有效控制巷道頂板兩幫的位移。

3.2 試驗(yàn)組二不同錨桿間距的靜載分析

從表5可以看出，當(dāng)錨桿間距為1000mm時(shí)，巷道頂板和幫部的變形量分別為1.4×10、1.25×10；當(dāng)錨桿間距為700mm時(shí)，巷道頂板和幫部的變形量分別為1.25×10、1.2×10；當(dāng)錨桿間距為500mm時(shí)，巷道頂板和幫部的變形量分別為1.1×10、1.05×10；隨著錨桿間距的減少，巷道頂板和幫部的位移在減少。增加錨桿支護(hù)密度后在巷道周圍形成了穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效減少了巷道的變形量。

表5 數(shù)值模擬巷道頂板、幫部水平變形量

不同錨桿間距幫部垂直應(yīng)力曲線如圖2所示。

由圖2可知，在巷道開挖后，巷道幫部出現(xiàn)三區(qū)：應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。隨著錨桿間距的減少，巷道幫部的應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，巷道周圍的應(yīng)力降低區(qū)范圍擴(kuò)大。

圖2 不同錨桿間距幫部垂直應(yīng)力曲線

在靜載條件下，隨著錨桿間距的增加，巷道周圍的塑性變形區(qū)在減少，巷道幫部的應(yīng)力降低區(qū)范圍擴(kuò)大，巷道幫部的側(cè)向支承壓力向深部轉(zhuǎn)移，增加錨桿間距可以有效控制巷道頂板和幫部的變形量。

4 試驗(yàn)工作面皮帶巷優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)

根據(jù)上文可知，需要調(diào)整錨桿錨索的布置形式，使巷道圍巖均勻受力，形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。支護(hù)采用錨桿+W鋼帶+錨索支護(hù)。錨桿選用22×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距調(diào)整為700mm×700mm；錨索選用直徑為21.8mm的錨索，間排距調(diào)整為1400mm×1600mm，沿垂向錨索間采用燕型托梁連接，13207工作面支護(hù)調(diào)整后的巷道支護(hù)如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后巷道支護(hù)布置圖（單位：mm）

5 試驗(yàn)工作面巷道圍巖變形分析

以13207皮帶巷為例，在掘進(jìn)期間，2021年8月1日掘進(jìn)進(jìn)尺15m、45m、75m、105m處，設(shè)置巷道圍巖變形監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)1#~4#。其中1#和2#監(jiān)測點(diǎn)距離掘進(jìn)面最遠(yuǎn)，隨著時(shí)間推移，該監(jiān)測位置的巷道圍巖最先穩(wěn)定，因此選取1#和2#監(jiān)測點(diǎn)的兩幫及頂?shù)装逡平窟M(jìn)行具體分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，頂?shù)装寮皟蓭兔刻煲平俣容^慢，巷道頂?shù)装逡平俣却笥趦蓭鸵平俣龋虼?3207皮帶巷采取優(yōu)化后的支護(hù)方案有效控制了巷道的變形量，支護(hù)系統(tǒng)控制強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的能力良好。隨著時(shí)間的推移，兩幫移近量趨于穩(wěn)定，而頂板尚未穩(wěn)定。兩幫變形量最大值為27mm，頂板最大下沉量為72mm，變形量較小。驗(yàn)證了支護(hù)系統(tǒng)控制強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的能力良好。

圖4 掘進(jìn)期間頂?shù)装寮皟蓭鸵平?/p>

6 結(jié)論

隨著錨桿長度的增加，錨桿對(duì)圍巖的控制效果逐步提高，可以有效控制巷道頂板和幫部的變形量，可擴(kuò)大巷道周圍的應(yīng)力降低區(qū)，使應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移。

錨桿支護(hù)密度增加后在巷道周圍形成了穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效減少了巷道的變形，巷道幫部的應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，巷道周圍的應(yīng)力降低區(qū)范圍隨之?dāng)U大。

通過對(duì)巷道采掘期間巷道變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在工作面掘進(jìn)期間，監(jiān)測點(diǎn)的頂板移近量大于兩幫，隨著巷道繼續(xù)掘進(jìn)，兩幫移近速度趨于平穩(wěn)，而頂板尚未穩(wěn)定，頂板、兩幫變形量較小，驗(yàn)證了當(dāng)前支護(hù)系統(tǒng)的可靠性。