基于錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的巷道頂板離層臨界值的確定方法

林 健，馬開春，楊景賀，范明建

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.新汶礦業(yè)職工大學(xué)，山東 萊蕪 271100)

巷道支護(hù)理論與技術(shù)

基于錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的巷道頂板離層臨界值的確定方法

林 健1，馬開春2，楊景賀1，范明建1

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.新汶礦業(yè)職工大學(xué)，山東 萊蕪 271100)

巷道頂板離層臨界值的確定一直是困擾煤炭行業(yè)的一大難題，也是關(guān)系到煤礦安全的重大問題。摒棄以往根據(jù)巷道具體地質(zhì)和生產(chǎn)條件確定頂板離層臨界值的方法，在錨桿支護(hù)系統(tǒng)本身所允許的變形量基礎(chǔ)上，提出了基于錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的巷道頂板離層臨界值確定方法，并在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上，計(jì)算得出了不同錨桿長度和錨固方式下巷道頂板離層臨界值。

錨桿支護(hù)系統(tǒng)；頂板離層；臨界值

巷道頂板離層是煤礦開采過程中最重要的礦壓顯現(xiàn)之一。研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)證明，過大的離層可使巷道頂板巖層喪失應(yīng)力傳遞能力，導(dǎo)致頂板支護(hù)加固效果被嚴(yán)重削弱甚至失效，可能最終導(dǎo)致頂板事故。因此，及時(shí)掌握錨桿支護(hù)巷道頂板離層情況，了解頂板巖層離層發(fā)展和演化規(guī)律，對(duì)保證巷道安全具有重要意義。

獲得頂板離層數(shù)據(jù)后，如何判斷巷道是否安全是一直困擾我國煤炭行業(yè)科技工作者和工程技術(shù)人員的一大難題。目前國內(nèi)外普遍的做法是針對(duì)煤礦具體生產(chǎn)和地質(zhì)條件，研究得出一個(gè)判別值，將頂板離層實(shí)際觀測(cè)值與之對(duì)比分析巷道的安全程度，這一判別值即為頂板離層臨界值。

澳大利亞依據(jù)最大水平主應(yīng)力理論研究得出，當(dāng)頂板巖層松動(dòng)膨脹達(dá)到1/100時(shí)，其傳遞水平應(yīng)力的能力開始下降，水平應(yīng)力便逐漸向上部巖層轉(zhuǎn)移。若錨桿長度范圍內(nèi)的巖層均進(jìn)入這一狀態(tài)，證明錨桿支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度不夠，需要加強(qiáng)支護(hù)或補(bǔ)強(qiáng)加固。該國的錨桿長度一般為2400mm，按1/100計(jì)算，則為24mm，但為便于記憶通常按1英寸(25.4mm)考慮。英國、印尼、日本、波蘭等國在引進(jìn)澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)時(shí)，也將頂板離層臨界值定為1英寸。波蘭對(duì)頂板離層臨界值也有明確的規(guī)定，如果錨桿錨固范圍內(nèi)頂板離層量超過巖層厚度的2%，或頂板巷道跨度范圍內(nèi)的巖層離層量超過巖層厚度的1.5%，就認(rèn)為頂板處于不安全狀態(tài)，需要進(jìn)行加固處理。

我國對(duì)錨桿支護(hù)巷道頂板離層臨界值的研究始于九十年代初，主要依據(jù)影響巷道頂板離層的主要因素如地應(yīng)力、圍巖力學(xué)性質(zhì)、圍巖結(jié)構(gòu)、錨桿支護(hù)參數(shù)、巷道斷面、護(hù)巷煤柱尺寸等參數(shù)確定頂板離層臨界值[1-9]。由于各礦區(qū)甚至一個(gè)礦區(qū)內(nèi)各礦井地質(zhì)和生產(chǎn)條件都不盡相同，研究成果不具有普遍適用性，各礦必須結(jié)合具體的地質(zhì)和生產(chǎn)技術(shù)條件試驗(yàn)確定頂板離層臨界值，應(yīng)用難度較大。如何確定具有普遍適用性的巷道頂板離層臨界值一直是困擾我國煤炭行業(yè)的難題。

在以錨桿支護(hù)為主的巷道中，頂板圍巖的穩(wěn)定性和變形不僅和巷道的地質(zhì)和生產(chǎn)條件有關(guān)，還和采用的錨桿支護(hù)系統(tǒng)本身有著密切的聯(lián)系。無論何種生產(chǎn)和地質(zhì)條件，一旦采用的支護(hù)系統(tǒng)失效，就意味著支護(hù)的失效，最終將導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)破壞甚至發(fā)生大的冒頂事故。因此，本文將依據(jù)錨桿支護(hù)系統(tǒng)本身允許的變形量詳細(xì)探討錨桿支護(hù)巷道頂板離層臨界值的確定方法。

1 錨桿支護(hù)對(duì)巷道圍巖變形與離層的控制作用

巷道圍巖變形由彈塑性變形、巖層擴(kuò)容變形及結(jié)構(gòu)面變形與離層等組成，各種變形在總變形中占的比重不同[10]。

1.1 彈塑性變形

在原巖應(yīng)力作用下，巷道開挖后，儲(chǔ)存于巖層內(nèi)的徑向彈性能迅速釋放，表現(xiàn)為徑向應(yīng)力的降低和圍巖向開挖空間的徑向彈性位移。同時(shí)切向應(yīng)力在巷道周邊圍巖中產(chǎn)生應(yīng)力集中，一旦切向應(yīng)力集中超過圍巖的屈服極限，圍巖產(chǎn)生塑性變形。巷道圍巖彈塑性變形在總的巷道變形中所占的比重較小，并且在巷道開挖后未進(jìn)行巷道支護(hù)之前就基本完成。

1.2 擴(kuò)容變形

巷道圍巖的擴(kuò)容變形主要是巖石峰值強(qiáng)度后，巖石中新裂紋產(chǎn)生、張開、擴(kuò)展導(dǎo)致巖石體積增加，碎脹變形引起。擴(kuò)容變形與巖石的擴(kuò)容參數(shù)、承受的偏應(yīng)力等有關(guān)。當(dāng)?shù)貞?yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，擴(kuò)容變形會(huì)隨應(yīng)力的增加急劇增大，達(dá)到很大數(shù)值。在深部高應(yīng)力巷道中，擴(kuò)容是引起圍巖變形與頂板離層的一個(gè)重要原因。及時(shí)進(jìn)行高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)抑制圍巖擴(kuò)容變形的發(fā)生是有效的支護(hù)手段。

1.3 結(jié)構(gòu)面變形

結(jié)構(gòu)面變形與圍巖中結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)及結(jié)構(gòu)面與巷道的位置、方向等密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)面密度越大，結(jié)構(gòu)面的黏聚力、內(nèi)摩擦角、法向與切向剛度越低，與巷道方向越不利，結(jié)構(gòu)面越易產(chǎn)生滑動(dòng)與離層，甚至導(dǎo)致圍巖破壞、失穩(wěn)、垮落。對(duì)于軟弱結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育的圍巖，結(jié)構(gòu)面變形在巷道變形與頂板離層中占很大比重。

理論研究與試驗(yàn)表明：

(1)錨桿支護(hù)對(duì)巖石峰值強(qiáng)度之前的彈性變形、塑性變形控制作用不明顯，同時(shí)在時(shí)間上不能滿足支護(hù)要求。

(2)錨桿支護(hù)可有效控制巖石峰值強(qiáng)度后由于新裂紋形成與張開引起的擴(kuò)容變形與巖石碎脹[11]。并且支護(hù)越及時(shí)、主動(dòng)支護(hù)能力越強(qiáng)越能有效抑制圍巖擴(kuò)容現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)錨桿支護(hù)可有效控制圍巖內(nèi)結(jié)構(gòu)面的變形，包括結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)、張開和離層，阻止節(jié)理化煤巖體的變形與松散。在結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)、張開和離層前及時(shí)進(jìn)行支護(hù)可大大減弱結(jié)構(gòu)面的變形。

2 錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許變形量的影響因素

錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的變形量與錨桿桿體的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、錨固方式及預(yù)緊力等因素有關(guān)。

2.1 錨桿桿體的材質(zhì)

錨桿桿體材質(zhì)有2種類型：一是專門開發(fā)的錨桿高強(qiáng)度鋼材；二是對(duì)普通建筑螺紋鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，提高桿體的強(qiáng)度。

以我國主要錨桿鋼材生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的錨桿鋼材為例，表1為錨桿鋼的物理力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 不同鋼廠錨桿鋼的物理力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)于錨桿支護(hù)來講，錨桿桿體最大的可利用變形量應(yīng)為最大力伸長率，而不是破斷伸長率。從表中可以看出，不同強(qiáng)度等級(jí)的錨桿鋼、甚至不同廠家生產(chǎn)的同等強(qiáng)度的錨桿鋼的變形性能不盡相同。如Q335錨桿桿體的最大力伸長率為19.48%，而屈服強(qiáng)度為500MPa的熱軋錨桿桿體的最大力伸長率平均為15.73%，調(diào)質(zhì)處理的屈服強(qiáng)度為500MPa的錨桿桿體的最大力伸長率為14.1%，調(diào)質(zhì)處理的屈服強(qiáng)度為600MPa的錨桿桿體的最大力伸長率平均為9.5%。因此，不同的錨桿桿體材質(zhì)允許的變形量存在較大差異。

2.2 錨桿的結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)外針對(duì)高應(yīng)力大變形巷道支護(hù)問題，研究了多種大變形錨桿，除桿體本身變形伸長外，還通過設(shè)計(jì)不同的錨桿結(jié)構(gòu)加大錨桿的變形能力。如加拿大MCB33型Conebolt錨桿最大結(jié)構(gòu)變形量為120mm，澳大利亞Roofex錨桿在80kN恒阻的狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形可達(dá)300mm，何滿潮教授研制的恒阻大變形錨桿在130～200kN的恒阻下最大變形量可達(dá)1000mm。

2.3 錨桿的錨固方式

目前煤礦巷道錨桿支護(hù)主要采用樹脂錨固錨桿，按錨固長度分為端部錨固、加長錨固和全長錨固[12]。不同的錨固方式由于錨桿自由段長度不同，允許的變形量也大不相同。

2.4 錨桿的預(yù)緊力

隨著錨桿預(yù)緊力的提高，錨桿桿體彈性變形量隨之增加，錨桿允許巖層的變形量隨之減小，但影響幅度不大。500號(hào)錨桿桿體彈性變形與錨桿預(yù)緊力的關(guān)系見表2。

表2 500號(hào)錨桿桿體彈性變形與錨桿預(yù)緊力的關(guān)系

3 錨桿錨固范圍內(nèi)允許的頂板圍巖變形與離層

3.1 端部錨固

端部錨固錨桿除錨固端外，桿體受力沿全長是相同的。假定錨桿尾部與桿體等強(qiáng)度，不考慮錨固端的變形，則桿體允許的孔口與錨固端之間的位移差為：

式中，Δub為桿體允許的孔口與錨固端之間的位移差，mm；l為錨桿長度，mm；l1為錨桿孔口外露長度，mm；la為錨固長度，mm；δ為錨桿桿體頸縮前的延伸率。對(duì)于屈服強(qiáng)度500MPa以上的鋼材，取δ=8%；P0為錨桿預(yù)應(yīng)力，kN；Sb為錨桿桿體截面積，mm2；E為錨桿桿體的彈性模量，MPa。

當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力比較小時(shí)，預(yù)應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì)。

假設(shè)錨桿長度l=2400mm，錨桿孔口外露長度l1=100mm，錨固長度la=400mm，錨桿直徑22mm，預(yù)應(yīng)力為50kN，根據(jù)式(1)得：

Δub=152mm。

屈服強(qiáng)度為500MPa以上的端錨錨桿在不同長度下允許巷道頂板的變形量見表3。

3.2 全長錨固

對(duì)于全長錨固錨桿，應(yīng)力、應(yīng)變沿錨桿長度方向分布極不均勻，離層和滑動(dòng)大的部位錨桿受力很大，桿體受力對(duì)圍巖變形和離層很敏感[13]。一般錨桿中部受力較大，而靠近錨桿兩端受力較小。

表3 端錨錨桿不同長度下允許巷道頂板最大變形量

國內(nèi)外一般將全長錨固錨桿桿體的1/3發(fā)生屈服作為判斷錨桿強(qiáng)度的準(zhǔn)則。假設(shè)500號(hào)以上錨桿桿體中部受力最大位置達(dá)到頸縮前的延伸率(8%)，其余按三角形分布在中部發(fā)生屈服的1/3桿體上，由此可計(jì)算錨桿桿體允許的位移差。忽略非屈服桿體的延伸量，可用下式表示：

對(duì)于錨桿長度l=2400mm，錨桿孔口外露長度l1=100mm，全長錨固高強(qiáng)度錨桿：

Δub=30.7mm。

屈服強(qiáng)度為500MPa以上的全長錨固錨桿在不同長度下允許巷道頂板的變形量見表4。

表4 全長錨固錨桿不同長度下允許巷道頂板最大變形量

3.3 加長錨固

加長錨固錨桿兼有端部錨固與全長錨固的特點(diǎn)。加長錨固段可有效控制圍巖的離層與滑動(dòng)，靠近孔口的自由段便于施加預(yù)應(yīng)力[14]。對(duì)于加長錨固錨桿，錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的變形量可將端錨和全長錨固結(jié)合計(jì)算，即錨固段允許變形量按全長錨固計(jì)算，非錨固段允許變形量按端錨計(jì)算。

表5為錨固長度為錨桿長度之半的情況下500MPa級(jí)以上的錨桿在不同長度下允許巷道頂板最大變形量。

表5 加長錨固錨桿不同長度下允許巷道頂板最大變形量

4 錨桿錨固范圍外允許的頂板圍巖變形與離層

為確定錨桿錨固范圍外巷道頂板允許的變形和離層值，先后對(duì)山東新汶千米深井礦區(qū)所屬7個(gè)煤礦(協(xié)莊、華豐、潘西、孫村、良莊、鄂莊及南冶)和山西潞安礦區(qū)所屬7個(gè)煤礦(常村、漳村、屯留、五陽、王莊、司馬及潞寧)進(jìn)行了詳細(xì)的頂板離層和變形統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

(1)在新汶礦區(qū)統(tǒng)計(jì)的頂板離層數(shù)據(jù)中，錨固區(qū)內(nèi)離層值在10mm及以下的占13%，10～50mm占56%，50～100mm占11%，100mm以上占20%；錨固區(qū)外離層值在10mm及以下的占43%，10～50mm占41%；50～100mm占11%；100mm以上占5%；錨固區(qū)內(nèi)離層值大于錨固區(qū)外離層值的占89%，錨固區(qū)內(nèi)離層值小于錨固區(qū)外離層值的僅占11%。在錨固區(qū)內(nèi)離層值大于錨固區(qū)外離層值的測(cè)點(diǎn)中，錨固區(qū)外離層值大于錨固區(qū)內(nèi)離層值一半的占39%，小于錨固區(qū)內(nèi)離層值一半的占61%[11]。

(2)在潞安礦區(qū)統(tǒng)計(jì)的頂板離層數(shù)據(jù)中，錨固區(qū)內(nèi)離層值在10mm及以下的占15.3%，10～50mm占66.3%，50～100mm占12.3%，100mm以上占6.1%；錨固區(qū)外離層值在10mm及以下的占37.8%，10～50mm占48%，50～100mm占6.1%，100mm以上占8.1%；錨固區(qū)內(nèi)離層值大于錨固區(qū)外離層值的占81.6%，錨固區(qū)內(nèi)離層值小于錨固區(qū)外離層值的僅占18.4%。在錨固區(qū)內(nèi)離層值大于錨固區(qū)外離層值的測(cè)點(diǎn)中，錨固區(qū)外離層值大于錨固區(qū)內(nèi)離層值一半的占60.2%，小于錨固區(qū)內(nèi)離層值一半的占39.8%。

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)，將錨桿錨固范圍外巷道頂板允許的變形和離層值定為錨桿錨固范圍內(nèi)巷道頂板允許的變形和離層值75%較為合理。屈服強(qiáng)度為500MPa以上的錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的巷道頂板的變形和離層臨界值如表6所示。

表6 錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的巷道頂板變形和離層臨界值

5 結(jié)論

(1)錨桿支護(hù)巷道頂板離層的發(fā)生不僅與巷道的地質(zhì)和生產(chǎn)條件有關(guān)，還和采用的錨桿支護(hù)系統(tǒng)本身有著密切的聯(lián)系。

(2)錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的變形量與錨桿桿體的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、錨固方式及預(yù)應(yīng)力等因素有關(guān)。端部錨固錨桿支護(hù)剛度低，允許的變形量大。全長和加長錨固錨桿支護(hù)剛度高，允許的變形量小。

(3)基于錨桿支護(hù)系統(tǒng)本身允許的變形量，確定了巷道頂板離層臨界值，為現(xiàn)場(chǎng)巷道頂板離層提供了統(tǒng)一的反饋標(biāo)準(zhǔn)。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

DeterminationMethodforCriticalValueofRoofSeparationLimitedbyAnchoredBoltSupportingSystem

LIN Jian1,MA Kai-chun2,YANG Jing-he1,FAN Ming-jian1

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;2.Xinwen Mining Workers College,Laiwu 271100,China)

Determining the critical value of roof separation is always a difficult safety problem for coal industry.The typical determining method considering roadway and mining condition abandoned,a new method limited by allowable deformation of anchored bolt supporting system was present.On the basis of laboratory test and on-the-spot observation,critical values of roof separation under different anchored bolt lengths and anchorage manners were obtained.

anchored bolt supporting system; roof separation; critical value

2014-03-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.014

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK04B06，2012BAB13B02)

林 健(1969-)，男，山東曹縣人，研究員，碩士研究生導(dǎo)師，長期從事煤礦巷道支護(hù)技術(shù)開發(fā)與推廣工作。

林 健，馬開春，楊景賀，等.基于錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的巷道頂板離層臨界值的確定方法[J].煤礦開采，2014，19(5)：47-50.

TD327.2

A

1006-6225(2014)05-0047-04