李嘯天

(霍州煤電集團責任公司 技術研究院,山西 霍州 031400)

支護設計從根本上決定了礦井巷道的錨桿支護的安全性與穩(wěn)定性,是煤礦安全生產(chǎn)的關鍵。當前,國內(nèi)外不少學者對錨桿支護進行的大量研究:康紅普等人[1]研究了不考慮地應力影響下的預應力錨桿支護的相關參數(shù);侯朝炯等人[2]通過實驗研究得出巷道錨桿支護強化了錨固區(qū)圍巖強度,使圍巖保持穩(wěn)定;楊振茂等人[3-4]基于地應力,通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗與監(jiān)測和工程類比等方法對錨桿支護進行了優(yōu)化,并得出適合我國煤礦的錨桿支護設計方法。目前李雅莊煤礦2-6071巷存在高地應力和受采動影響的支護難題,為保證本巷支護能夠滿足巷道服務年限,故特對2-6071巷進行專項支護設計。

1 2-6071巷地質概況

2-6071巷位于2-607工作面,埋藏深度516 m ～617 m,設計長度1 417 m。

煤巖層情況:2-6071巷設計沿2#煤頂板掘進,2#煤層平均厚度3.3 m,煤層強度為13.96 MPa,直接頂為0～2.8 m的層理發(fā)育砂質泥巖,老頂為3 m ～6 m的細砂巖,底板為細砂巖和泥巖,其頂?shù)装鍘r層情況如表1所示。

表1 頂?shù)装鍘r層情況Table1 Roof and floor strata

2 地質力學測試

在李雅莊礦六采區(qū)進行了3個測站的地質力學測試:第一測站位于2-6091系統(tǒng)巷80 m處;第二測站位于六采區(qū)軌道下山巷2 200 m處;第三測站位于2-6081巷。第二測站位于2#煤層上方2.1 m處,第三測站位于2#煤層中,選擇第三測站地質力學參數(shù)指導6071巷支護參數(shù)設計。測站具體位置見圖1。

圖1 地質力學測站位置示意圖Fig.1 The location of the geo-mechanical survey stations

通過測站的數(shù)據(jù)可知:

1)頂板巖層結構情況:①0～4.0 m為粉砂巖,灰色,裂隙發(fā)育,0.3 m ～0.5 m和2.7 m ～3.3 m處為縱向裂隙,1.1 m和1.4 m處裂隙明顯,巖層完整性較差;②4.0 m ～7.2 m為細砂巖,灰色,4.0 m ～4.6 m處為縱向裂隙,4.6 m ～5.5 m處該段巖層完整,5.5 m處裂隙明顯,5.5 m ～6.5 m處該段巖層完整,6.5 m ～6.8 m處破碎;③7.2 m ～9.7 m為砂質泥巖,灰色,7.2 m ～8.4 m處裂隙發(fā)育,巖層完整性差,8.4 m ～9.5 m處該段巖層較完整,9.5 m ～9.7 m為煤線;④9.7 m ～10.6 m為砂巖,灰白色,裂隙發(fā)育,巖層完整性較差。

2)通過圍巖強度測試可得:2號煤層頂板以上0～4.0 m為粉砂巖,巖層強度平均值為54.11 MPa,4.0 m ～7.2 m為細砂巖,巖層強度平均值為52.01 MPa,7.2 m ～9.7 m為砂質泥巖,巖層強度平均值為34.20 MPa,9.7 m～10.0 m為砂巖,巖層強度平均值為95.55 MPa。測站處2號煤煤體較完整,經(jīng)計算煤體強度平均值為13.96 MPa。

3)通過地應力測量,初步分析2-6071巷附近應力場屬于σV>σH>σh型應力場。

3 錨桿支護參數(shù)的選取

3.1 錨桿預應力F

為了分析預應力對支護效果的影響,根據(jù)礦井實際資料,選擇錨桿預應力F分別為20 kN(低)、100 kN(高)下進行分析,圖2為各自條件下形成的附加應力場。

2-a F=20 kN

2-b F=100 kN圖2 不同預應力F下的附加應力場分布Fig.2 Distribution of additional stress field under different pre-stress F

在錨桿支護系統(tǒng)中,預應力是影響支護效果好壞最關鍵的參數(shù)。通過比對圖2-a和圖2-b,可以看出,預應力大小錨桿附加應力場分布有著明顯地影響。圖2-a中預應力過低,其對應的附加應力場整體值過低,所對應的壓應力的影響區(qū)域過小,使之有效壓應力區(qū)域不能形成一個整體存在;而圖2-b中預應力高,其對應的附加應力場整體值高,所對應的壓應力的影響區(qū)域大,造成有效壓應力區(qū)構成一個整體,影響了整個頂板,這樣完全地運用了錨桿的主動支護。因此,為了保證支護效果良好,其錨桿預應力F的最佳區(qū)間為:[30%σs,50%σs],其中σs表示錨桿桿體的材料屈服強度。

3.2 錨桿長度L

不同錨桿長度L分別為1.8 m、2.4 m、2.8 m時,其形成的附加應力場見圖3。

圖3 不同錨桿長度L下的附加應力場分布Fig.3 Distribution of additional stress field under different boltlength L

對比分析圖3-a、圖3-b和圖3-c可得出:隨著錨桿長度L變大,錨桿作用范圍擴大,即其對應的壓應力影響的區(qū)域與厚度變大;但隨著L進一步的變大,錨桿的中上部及兩錨桿之間中部圍巖的壓應力在減小,這表明當預應力F固定時,錨桿L越長,預應力的影響越弱,越不能利用錨桿的主動支護,即當錨桿L越長時,為保證其支護效果良好,其對應的錨桿預應力F也越大。因此,要綜合考慮錨桿預應力、強度來確定合適的錨桿長度L,這樣才能形成有效的支護系統(tǒng),確保井下安全工作。

3.3 錨桿密度(錨桿間距)

不同錨桿密度下(單根、間距1.4 m、間距1 m、間距0.8 m),其形成的附加應力場見圖4。

通過分析圖4-a、圖4-b、圖4-c和圖4-d,可看出:當預應力保持固定時,單根錨桿的壓應力分布呈“類似錐形”,即壓應力在錨桿自由段中部較小、在錨固起始處附近次之、在錨固尾部附近最大,錨桿端部處于近零應力和較小的拉應力狀態(tài)。錨桿量過于少時,單根錨桿形成的“類似錐形”壓應力區(qū)域呈各自獨立狀態(tài),無法形成整體,支護效果極差。隨著錨桿密度增大,每個錨桿各自的“類似錐形”壓應力區(qū)域逐漸靠近,其支護形態(tài)形成一個越來越穩(wěn)固的整體支護結構,支護效果也越來越好,當錨桿密度達到臨界值,其對有效壓應力區(qū)擴大、錨桿預應力的擴散作用影響明顯減弱,其支護效果反而降低。

圖4 不同錨桿間距的附加應力場分布Fig.4 Distribution of additional stress field under different bolt intervals

3.4 錨固方式

不同錨固方式下(端部錨固、加長錨固、全長錨固),其形成的附加應力場見圖5。

圖5 不同錨固方式錨桿的附加應力場分布Fig.5 Distribution of additional stress field under different anchoragemodes

通過圖5可以看出錨固方式對錨桿附加應力場分布有著明顯地影響:圖5-a的端部錨固壓應力分布區(qū)大致呈“葫蘆”型,即其預應力的影響區(qū)域較大,而錨桿自由段的中部壓應力相對較小;圖5-b的加長錨固壓應力分布區(qū)大致呈“錐形”型,即對應的預應力影響區(qū)域比端部錨固小,對應的有效壓應力區(qū)厚度小;圖5-c的全長錨固壓應力分布區(qū)大致呈“高腳杯”型,即相對端部錨固和加長錨固,其預應力影響區(qū)域與有效壓應力區(qū)厚度最小;故端部錨固的效果最好。

3.5 錨桿角度α

與垂線不同的錨桿角度α分別為0°(垂直布置)、10°、30°時,其形成的附加應力場見圖6。

圖6 不同錨桿角度α的附加應力場分布Fig.6 Distribution of additional stress field under different bolt anglesα

由圖6可明顯看:α=0°(垂直布置)時,錨桿預應力影響的效果最好,即角錨桿與中部錨桿出現(xiàn)的有效壓應力區(qū)域的疊加面積最大,對應的壓應力分布均勻且區(qū)域的厚度大,基本上覆蓋了95%以上的頂板錨固區(qū);但是隨著角度α的變大,角錨桿與中部錨桿組成的有效壓應力區(qū)域不斷分開,二者疊加的面積越來越小,當達到臨界角度15°時,角錨桿與中部錨桿形成的壓應力區(qū)明顯分開,二者疊加的面積為零;繼續(xù)加大錨桿角度α,角錨桿與中部錨桿變成各自獨立的狀態(tài),支護效果越來越差。因此,在近水平煤層巷道中,最好垂直布置,在實際井下施工時,其最大角度≤10°。

3.6 鋼護板的作用

有、無鋼護板的錨桿支護附加應力分布見圖7。從圖中可得出:

1)有鋼護板時,錨桿形成的有效壓應力區(qū)在沿鋼護板的方向呈明顯增大的變化。在頂板表面附近,有效壓應力區(qū)呈橢圓形分布,相互連接,形成連續(xù)的有效壓應力帶,預應力擴散范圍大,錨桿能有效支護錨桿之間的圍巖。

2)而無鋼護板時,錨桿形成的有效壓應力區(qū)是彼此獨立的,相互不連接,錨桿之間的壓應力很小,預應力擴散范圍小,不能有效支護錨桿之間的圍巖。

圖7 有無鋼護板的附加應力場分布Fig.7 Distribution of additional stress field with or without steel protective plate

3)鋼護板可有效地對錨桿預應力進行擴散,明顯增強了對錨桿之間圍巖的支護作用,顯著增強了支護系統(tǒng)的整體支護效果。

3.7 錨索的作用

錨桿與錨索支護、錨索支護下的附加應力場分布見圖8。

圖8 錨桿與錨索支護、錨索支護的附加應力場分布Fig.8 Distribution of additional stress field in boltcable support and cable support

由圖8可明顯看出,錨索的作用主要有兩方面:

1)將深部圍巖與錨桿支護形成的次生承載結構形成一個整體,提高其次生承載結構的穩(wěn)定性,即更好地利用深部圍巖的承載能力,使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載支護。

2)錨索施加一定的預緊力,提供有效壓應力(圖8-b),與錨桿形成的壓應力區(qū)形成整體的骨架網(wǎng)絡結構(圖8-a),保持圍巖完整性,使圍巖強度不降低。

4 相關支護參數(shù)

結合鄰近巷道礦壓數(shù)據(jù)、地質力學參數(shù)及2-6071巷實際情況,對2-6071巷進行具體的支護設計:其斷面設計為矩形斷面,掘寬5 m,掘高3.9 m,掘進斷面19.5 m2。

4.1 頂板支護

1)錨桿每排布置6根,間排距為900 mm×900 mm;桿體為D22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋,長度2.5 m,鋼材屈服強度為335 MPa,桿尾螺紋為M24,螺紋長度150 mm,配高強度螺母,預緊扭矩不低于300 Nm;采用一支規(guī)格為CK2340,另一支規(guī)格為Z2360;鉆孔直徑為28 mm,錨固長度為1 370 mm。

2)托板采用拱型高強度托,規(guī)格為:150 mm×150 mm×8 mm,托板高不低于38 mm,力學性能與桿體相匹配,配調心球墊和減摩墊圈;單體錨桿配W鋼護板,規(guī)格為厚度4 mm,寬280 mm,長度450 mm。

3)錨索每排布置3根,間排距1 500 mm×1 800 mm,錨索安裝在兩排錨桿間頂板中部;錨索材料為D21.6 mm,1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線,長度6.3 m;錨索張拉預緊力不低于160 kN;鉆孔直徑為28 mm,采用1支KC2340和2支Z2360樹脂錨固劑錨固,錨固長度2 192 mm;采用300 mm×300 mm×14 mm拱形高強錨索托板,托板高不低于60 mm,配調心球墊。

4)錨桿、錨索角度要求沿幫部法線方向施工(包括肩角、底角錨桿),誤差不得大于5°。

4.2 巷幫支護

1)錨桿每排布置3根,間排距為800 mm×900 mm;其他設計參數(shù)和頂板支護的均一致。

2)煤柱側幫部施工錨索,錨索為“一·二”布置,排距1 800 mm,2根時間距為1 500 mm,1根時布置在幫中部。

5 結束語

通過李雅莊礦鄰近巷道礦壓數(shù)據(jù)及FLAC3D數(shù)值模擬,得出了2-6071巷錨桿相關支護參數(shù)設計原則與范圍,并結合鄰近巷道礦壓數(shù)據(jù)、地質力學參數(shù)及2-6071巷實際情況給出了具體的2-6071巷支護參數(shù)。由于2-6071巷暫時不具備礦壓監(jiān)測條件,故錨桿支護參數(shù)設計為初始設計。