強采動錨索破斷機制及讓壓控制技術研究

閆小軍

(潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

綜放煤層開采的回采巷道通常沿煤層底板掘進[1-3]，巷道頂板處于松軟的煤層中，受錨桿長度的限制，通常采用錨桿索聯合支護。錨索可以將淺部錨桿支護結構形成的組合梁[4]懸吊在深部穩定的巖體中[4-5]。然而，綜放工作面開采強度大，強采動應力下，回采巷道頂板煤體裂隙發育并出現明顯的離層現象[6]。此時，錨桿索的協同承載特性將會顯著降低，當錨索承擔的載荷超過其極限強度時，錨索破斷引起支護體系的失衡極易引發巷道圍巖大變形[7]，嚴重威脅工作面的安全生產。

本文以王莊煤礦91采區9106工作面運輸巷為工程背景，利用FLAC3D建立數值計算模型，反演分析了厚煤層回采巷道的變形特征及錨索破斷機制，提出了讓壓錨索支護技術并取得良好的現場實踐效果，具有一定的指導和借鑒意義。

1 工程概況

王莊煤礦9106工作面布置在3號煤層，9106運輸巷沿煤層底板掘進，全長2 120 m，工作面布置見圖1.3號煤層平均厚度6.45 m，直接頂為2.54 m的泥巖，屬于軟弱頂板；基本頂為3.1 m細砂巖，直接底為0.88 m的泥巖；基本底為2.15 m厚的細砂巖。

圖1 9106工作面布置圖

煤巖層綜合柱狀圖見圖2.9106運輸斷面矩形，寬×高=5.5 m×3.5 m，采用錨桿索聯合支護方案，支護設計斷面見圖3.巷道頂板掘進支護采用的傳統錨索延伸率低、易破斷，極易引發巷道圍巖的失穩災變，嚴重威脅工作面的安全生產。

圖2 煤巖層綜合柱狀圖

圖3 9106運輸巷支護斷面設計(mm)

2 數值模擬分析

2.1 數值計算模型

根據9106工作面煤巖層綜合柱狀圖及生產地質條件，建立FLAC3D的數值計算模型，尺寸為：長×高=100 m×80 m，巷道開挖尺寸為寬×高=5.5 m×3.5 m，巷道支護參數如圖4、圖5所示。

圖4 數值計算模型

圖5 模型支護圖

本次模擬本構關系選擇為摩爾-庫倫準則，模型頂部邊界及兩側施加11.26 MPa的應力，模型底部邊界位移固定。模擬過程中采用FLAC3D內置cable構件模擬錨桿及錨索。鑒于軟件的內置cable不能實現錨桿索的破斷效應，所以利用fish語言編程控制來實現對錨桿索長度、變形特征的監測，若錨桿索變形程度超過錨索變形最大延伸長度時，判定支護體已失效。錨索破斷判據可以表示為：

(1)

根據上式，將Cable單元所處的不同時期狀態分為三段：

1) 彈性段，該階段為能達到錨索承受的雖大載荷，即變形程度及受力均未超過錨索所能承受的最大值，若錨索構建繼續變形，錨索將進入塑性段。

2) 塑性段，該階段錨索單元受力與錨索所能承受的最大載荷大小相同，而變形并未達到臨界值，還能在此受力狀態下繼續變形。

3) 失效段(失效點)，該階段錨索單元變形量大于錨索所能承受的最大變形量，錨索單元在此階段將出現破斷失效現象。

由上述分析將Cable單元的受力模型進行相應優化，實現圖6所示效果：

圖6 錨索結構單元修正預期效果

2.2 回采巷道變形特征

模型開挖支護并計算平衡后，提取巷道圍巖位移云圖及塑性區對錨索破斷前后回采巷道位移變化規律及塑性區發育程度進行分析。

由圖7可知：錨索破斷前，巷道頂板的最大下沉量為105 mm，底鼓量為42.3 mm，兩幫移近量最大值為94.3 mm；錨索破斷后，頂板下沉量超過1.5 m，巷道兩幫移近量超過1.4 m，與支護體未破斷時相比，巷道圍巖變形增大量超過1 m，嚴重影響工作面正常生產。

圖7 位移變化特征

由圖8 可知：錨索破斷后，巷道圍巖塑性區頂板及靠近工作面一側幫部破壞范圍明顯加大并向深部擴展，而底板破壞并無明顯增加，巷道圍巖的穩定性很大程度上依賴錨索的懸吊支護作用，當圍巖離層總量超過其最大延伸量，錨索就會失去支護效果，發生破斷，圍巖進而失去支護，發生強烈變形。

圖8 塑性區發育程度

2.3 錨索破斷機制

通過提取回采過程中錨索的軸力變化曲線繪制如圖9所示的錨索全過程受力曲線。

圖9 錨索全過程受力曲線

由圖9可知：在工作面回采產生的強采動應力影響下，巷道支護體系所受載荷迅速增大，并先后達到破斷載荷，此時受力為0 kN，且在工作面采動作用下，巷道頂板未采動側最外圍錨索發生破斷失效，隨后頂板中央位置錨索也發生破斷失效，頂板采動側錨索最后出現破斷。工作面采動后，錨索支護范圍巖層的離層值對錨索的破斷效應具有較強的敏感性。鑒于支護體破斷失效與其桿體延伸率大小有著直接的聯系，所以以提升支護體延伸率來實現對巷道圍巖良好的控制效果。

3 讓壓錨索支護技術

針對王莊煤礦9106運輸巷頂板錨索支護中索體延伸率小、易破斷而造成巷道支護效果差、支護材料浪費等現象，提出吸能讓壓錨索技術。

3.1 讓壓錨索控制機理

讓壓錨索結構簡單、安裝方便、成本較低，錨索具有恒阻高、伸縮量可調、延伸量較大、支護強度高等特點，讓壓錨索如圖10所示。

圖10 讓壓錨索示意

讓壓錨索工作時，圍巖變形擠壓讓壓裝置，讓壓裝置產生壓縮變形，再把力傳給錨索體，錨索體受拉產生拉伸。讓壓裝置彈性模量小于錨索體，因此讓壓管具有更大的變形能力，讓壓錨索與普通錨索的應力-變形關系[8]如圖11所示。

圖11 錨索應力-變形關系

由圖11可以看出，圍巖變形達到S1時，傳統錨索的應力σ1要大于讓壓錨索的應力σ2；當讓壓過程結束后，S1-S2即為讓壓錨索產生的讓壓距離。可見，讓壓錨索可以在一定程度上降低頂板的離層和下沉導致錨索破斷進而引發巷道圍巖垮塌的可能性。

3.2 支護方案

9106運輸巷錨索吸能讓壓支護技術參數設計如圖12所示。將支護設計方案應用于9106運輸巷現場實踐，對巷道圍巖變形及錨桿索受力情況進行連續30 d的實時監測，監測結果如圖13、圖14所示。

圖12 讓壓錨索支護斷面設計(mm)

從圖13可知，隨著距掘進迎頭距離的增加，巷道表面圍巖收斂變形量逐漸增大，頂板下沉量為32 mm，底鼓量最大值為30 mm，兩幫移近量最大值為36 mm，巷道整體變形量在合理范圍內。

圖13 巷道表面變形情況

由圖14可知，在0～8 d內，錨桿索所受載荷迅速上升，在8～30 d內錨桿索受力趨于穩定，其變化相對平穩。監測過程中未發生錨桿及錨索破斷等嚴重威脅巷道圍巖穩定的現象，說明讓壓錨索技術能夠降低錨索破斷的風險，具有良好的支護效果。

圖14 錨桿索受力特征

4 結 語

1) 建立FLAC3D數值計算模型，將錨索破斷判據嵌入到FLAC3D計算模型中，分析了強采動應力影響下，巷道圍巖變形特征及錨索破斷機制。

2) 分析了讓壓錨索控制機理，并將讓壓錨索支護技術應用于現場實踐，監測結果表明，讓壓錨索支護效果良好，具有較好的工程指導意義。