掘進(jìn)巷道破碎頂板冒落區(qū)加固技術(shù)研究

孫 劍,鄒 慶,劉 鋒,趙雁斌

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 五陽(yáng)煤礦, 山西 長(zhǎng)治 046200; 2.中煤科工集團(tuán) 沈陽(yáng)研究院有限公司, 遼寧 撫順 113122; 3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122; 4.浙江歐正建設(shè)有限公司, 浙江 溫州 325506)

1 工程概況

銀星一井05工作面穿過積家井背斜軸部,橫跨積家井背斜東、西翼,軸部?jī)梢砻簩幼呦蜃兓^大。巷道埋深為850 m,工作面順槽附近巖層受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力影響較大,煤層厚度3.0～3.6 m,傾角5°～11°,賦存結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直接頂與基本頂主要以泥巖和砂巖為主,局部區(qū)域的直接頂中存在0.2～0.5 m厚的極易冒落區(qū),隨巷道的開挖冒落嚴(yán)重?；卷斒艿貞?yīng)力與擾動(dòng)應(yīng)力的影響明顯,在超前支撐壓力的影響下巷道頂板較為破碎,常出現(xiàn)大面積垮落的現(xiàn)象。因此,對(duì)于掘進(jìn)過程中局部區(qū)域破碎頂板的加固技術(shù)亟待研究。煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1.

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征表

2 梁-拱錨固承載技術(shù)原理

巷道開挖后,圍巖應(yīng)力發(fā)生二次重分布,當(dāng)應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力值高于巷道圍巖的承載能力,將會(huì)使巷道表現(xiàn)出塑性破壞與損傷特征[1-2]. 伴隨著塑性與損傷的卸壓過程,巷道圍巖的應(yīng)力將會(huì)進(jìn)一步調(diào)整,直至達(dá)到變形穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)巷道未進(jìn)行加固支護(hù)時(shí),根據(jù)冒落拱理論,巷道開挖致使巖層間的聯(lián)系程度降低,在擾動(dòng)應(yīng)力與地應(yīng)力的作用下,巷道淺部圍巖發(fā)生垮落,深部圍巖發(fā)生破碎,破碎巖塊之間相互擠壓變形,最后形成“拱形”動(dòng)態(tài)平衡,即自然平衡拱[3].

當(dāng)巖石較為破碎,自穩(wěn)能力較差,自然平衡拱的范圍將會(huì)隨之?dāng)U大,其穩(wěn)定性也會(huì)隨之降低。為避免圍巖松動(dòng)裂隙圈急劇發(fā)展致使巷道失穩(wěn),通常采用錨桿進(jìn)行加固,根據(jù)加固原理不同,可分為組合梁結(jié)構(gòu)與組合拱結(jié)構(gòu)[4-5].

1) 組合梁加固結(jié)構(gòu)。

錨桿在巖體中受到巖石塑性碎脹力的拉伸作用,與此同時(shí)對(duì)巖石產(chǎn)生壓應(yīng)力。在錨桿預(yù)應(yīng)力的作用下,在桿體兩端形成錐形應(yīng)力區(qū),當(dāng)錨桿間距控制在合理小間距范圍內(nèi),錨桿之間的錐形應(yīng)力區(qū)將會(huì)相互疊加,形成疊合連續(xù)的均勻壓縮加固結(jié)構(gòu)。使離層的頂板巖層組合在一起形成承載整體。

2) 組合拱加固結(jié)構(gòu)。

組合拱結(jié)構(gòu)是巖土體間微觀力學(xué)作用效果,非宏觀巖石結(jié)構(gòu)。其形成過程依賴于巖石微觀顆粒間的內(nèi)聚力、摩擦角,當(dāng)不同微觀顆粒所受力學(xué)邊界條件不統(tǒng)一時(shí),將會(huì)產(chǎn)生摩擦與擠壓作用,使深部巖石在一定程度上形成拱效應(yīng)。拱效應(yīng)強(qiáng)度可通過錨桿長(zhǎng)度、間距、預(yù)應(yīng)力參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制,根據(jù)應(yīng)力路徑的不同,組合拱的力學(xué)特性也會(huì)發(fā)生變化。

基于上述自然平衡拱、組合梁、組合拱理論,提出梁-拱錨固支護(hù)[6],結(jié)構(gòu)見圖1. 此支護(hù)結(jié)構(gòu)在冒落拱基礎(chǔ)上,通過錨桿的加固作用對(duì)圍巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行增強(qiáng),兼顧巖石自身的承載能力、梁形與拱形的承載效應(yīng),形成的關(guān)鍵在于等長(zhǎng)度和變長(zhǎng)度的錨桿相間布置的形式,見圖2. 圖2(a)中,錨桿等長(zhǎng)等距布置下,施加低預(yù)應(yīng)力,在淺部圍巖形成方形組合梁支護(hù)特征,此種施工方式簡(jiǎn)單,成本較低;圖2(b)中,錨桿沿冒落拱曲線變化長(zhǎng)度,施加高預(yù)應(yīng)力,在深部圍巖形成組合拱支護(hù)特征,此種施工方式復(fù)雜,成本較高。綜合考慮兩種支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn),將低預(yù)應(yīng)力等長(zhǎng)錨桿與高預(yù)應(yīng)力變長(zhǎng)錨桿進(jìn)行組合,形成圖2(c)所示的梁-拱形支護(hù)方案。

圖1 巷道破碎頂板梁-拱錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 粱形支護(hù)、拱形支護(hù)、梁-拱形支護(hù)方案三維示意圖

3 梁-拱錨固技術(shù)參數(shù)分析

采用FLAC3D對(duì)巷道破碎頂板的巖層控制效果進(jìn)行分析[7],建立模型尺寸為60 m×60 m×60 m,固定模型底部位移邊界與側(cè)向位移邊界,在模型頂部施加20 MPa的垂直應(yīng)力,模擬800 m的巷道埋深。選取的數(shù)值模擬巖性參數(shù)見表2. 錨桿支護(hù)參數(shù)見表3. 采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

表2 巖層模擬參數(shù)表

表3 錨桿模擬參數(shù)表

3.1 錨桿長(zhǎng)度參數(shù)

將短錨桿的長(zhǎng)度固定為1.8 m,長(zhǎng)錨桿的長(zhǎng)度設(shè)定為3.5 m、4.5 m、5.5 m,得到變錨桿長(zhǎng)度下,梁-拱錨固結(jié)構(gòu)的圍巖應(yīng)力變化規(guī)律,見圖3. 在圖3(a)中,錨固作用主要以拱結(jié)構(gòu)為主,壓應(yīng)力區(qū)為20～30 kPa. 當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增加至4.5 m時(shí)(圖3(b)),短錨桿附近表現(xiàn)出組合梁的結(jié)構(gòu)形式,壓應(yīng)力數(shù)值為20～40 kPa. 當(dāng)錨桿長(zhǎng)度繼續(xù)增加至5.5 m時(shí)(圖3(c)),梁-拱錨固結(jié)構(gòu)凸顯,表現(xiàn)出明顯的上位組合拱與下位組合梁的形式,其中組合梁的應(yīng)力值為30～50 kPa,組合拱的應(yīng)力值為0～30 kPa.

圖3 不同錨桿長(zhǎng)度支護(hù)參數(shù)下梁-拱錨固支護(hù)效果圖

通過對(duì)比圖3可知,梁-拱錨固結(jié)構(gòu)隨著長(zhǎng)錨桿的長(zhǎng)度增加而逐漸凸顯,組合拱結(jié)構(gòu)的外邊界長(zhǎng)度與長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度接近,在錨桿端頭處,壓應(yīng)力逐漸變換為拉應(yīng)力,圍巖壓應(yīng)力逐漸向巖層深部轉(zhuǎn)移,改善了圍巖的受力狀態(tài)[7].

3.2 錨桿間距參數(shù)

為探究梁-拱錨固結(jié)構(gòu)與錨桿間距的支護(hù)作用關(guān)系,選取0.6 m、0.8 m、1.0 m的錨桿間距進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,見圖4. 當(dāng)錨桿間距為0.6 m時(shí),錨桿的錨固作用力最大,梁-拱結(jié)構(gòu)效果最為明顯,其中組合梁的強(qiáng)度為35～64 kPa,組合拱壓應(yīng)力區(qū)數(shù)值為0～35 kPa. 當(dāng)間距擴(kuò)大至0.8 m時(shí),組合梁和組合拱的壓應(yīng)力區(qū)數(shù)值逐漸下降,組合梁壓應(yīng)力數(shù)值為25～45 kPa,組合拱強(qiáng)度為0～25 kPa. 當(dāng)錨桿間距為1.0 m時(shí),梁-拱結(jié)構(gòu)作用范圍逐漸擴(kuò)大,但應(yīng)力區(qū)數(shù)值進(jìn)一步降低,組合梁強(qiáng)度為15～36 kPa,組合拱強(qiáng)度為0～15 kPa.

圖4 不同錨桿間距支護(hù)參數(shù)下梁-拱錨固支護(hù)效果圖

根據(jù)分析可知,隨著錨桿間距的逐漸增加,梁-拱錨固結(jié)構(gòu)的作用范圍會(huì)逐漸增加,但是隨著應(yīng)力疊合區(qū)的逐漸縮減,支護(hù)強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),不利于維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3.3 錨桿預(yù)應(yīng)力參數(shù)

針對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)梁-拱錨固結(jié)構(gòu)的影響,固定短錨桿的預(yù)應(yīng)力為80 kN,長(zhǎng)錨桿的預(yù)應(yīng)力分別為100 kN、120 kN、140 kN,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖5. 當(dāng)長(zhǎng)錨桿的預(yù)應(yīng)力數(shù)值由小逐漸增大時(shí),梁-拱錨固的結(jié)構(gòu)效果逐漸明顯。組合梁的最大強(qiáng)度由45 kPa增加至52 kPa,直至59 kPa. 組合拱的最大強(qiáng)度由20 kPa增加至25 kPa,直至30 kPa.

圖5 不同錨桿預(yù)應(yīng)力支護(hù)參數(shù)下梁-拱錨固支護(hù)效果圖

根據(jù)圖5的對(duì)比分析可知,錨桿預(yù)應(yīng)力的增加可以顯著增強(qiáng)梁-拱組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)強(qiáng)度,但是支護(hù)范圍并未有明顯提升。相比之下,錨桿長(zhǎng)度與錨桿間距是影響支護(hù)范圍的主要參數(shù)。

4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)與工程監(jiān)測(cè)

根據(jù)梁-拱錨固結(jié)構(gòu)的力學(xué)成因,為強(qiáng)化頂板拱形支護(hù)效應(yīng),采用高強(qiáng)錨索代替長(zhǎng)錨桿,頂板錨索采用6300 mm與4500 mm不等長(zhǎng)布置方式,6300 mm錨索間距為720 mm. 4500 mm錨索距離6300 mm錨索的間距為880 mm,與豎直方向夾角分別為18°與36°,以此作為組合梁支護(hù)基礎(chǔ)。同時(shí)搭配高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,錨桿長(zhǎng)度采用2800 mm等長(zhǎng)布置,錨桿預(yù)應(yīng)力最小值為80 kN,在靠近矩形巷道的邊角處設(shè)置15°傾角,錨桿間距為700 mm. 頂板錨桿與錨索采用交錯(cuò)布置方式,并配合梯子梁進(jìn)行支護(hù),排距均為1000 mm. 布置方式見圖6. 為驗(yàn)證梁-拱錨固支護(hù)對(duì)圍巖的加固支護(hù)效果,對(duì)銀星一井05工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),共布置2個(gè)圍巖變形測(cè)站,監(jiān)測(cè)曲線見圖7.

圖7 圍巖位移監(jiān)測(cè)曲線圖

根據(jù)圖7可知,經(jīng)過160天的監(jiān)測(cè)顯示,巷道圍巖變形在0-120天時(shí)逐漸發(fā)展,其中在40-100天時(shí)屬于變形的快速發(fā)展階段,在120天后圍巖變形趨于穩(wěn)定狀態(tài)。最終圍巖兩幫的位移量為31～57 mm,底鼓量為38～68 mm,頂板下沉量為15～25 mm. 在監(jiān)測(cè)期間,巷道未發(fā)生冒頂事故,并且滿足生產(chǎn)設(shè)備的空間使用與安全維護(hù)需求。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,梁-拱錨固支護(hù)方案有效地控制了掘進(jìn)巷道破碎頂板的冒落與變形。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)冒落拱理論、組合梁理論、組合拱理論,分析了梁-拱錨固支護(hù)技術(shù),同時(shí)說明了低預(yù)應(yīng)力等長(zhǎng)錨桿與高預(yù)應(yīng)力變長(zhǎng)錨桿組合加固圍巖的優(yōu)勢(shì),此支護(hù)結(jié)構(gòu)兼顧巖石自身的承載能力、梁形與拱形的承載效應(yīng)。

2) 對(duì)梁-拱錨固支護(hù)技術(shù)的影響參數(shù)進(jìn)行分析,當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增加時(shí),表現(xiàn)出明顯的上位組合拱與下位組合梁的形式。錨桿間距增大時(shí),梁-拱結(jié)構(gòu)作用范圍逐漸擴(kuò)大,但應(yīng)力區(qū)數(shù)值進(jìn)一步降低。當(dāng)長(zhǎng)錨桿的預(yù)應(yīng)力數(shù)值由小逐漸增大時(shí),梁-拱錨固的結(jié)構(gòu)效果逐漸明顯。

3) 設(shè)計(jì)了矩形巷道圍巖加固技術(shù)方案,通過160天的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,圍巖兩幫的位移量為31～57 mm,底鼓量為38～68 mm,頂板下沉量為15～25 mm. 圍巖變形在120天后趨于穩(wěn)定,并且滿足日常生產(chǎn)需求,驗(yàn)證了梁-拱錨固支護(hù)方案的可靠性。