不同注漿錨索直徑對圍巖變形的影響研究與應用

嚴躍龍

（永貴能源開發(fā)有限責任公司新田煤礦，貴州 畢節(jié) 551500）

圍巖變形問題長期困擾著工程人員。部分學者基于彈塑性理論分析了深部巷道塑性區(qū)并優(yōu)化了原始參數[1]。一些學者通過理論分析和數值模擬等手段，分析了軟巖巷道圍巖變形規(guī)律和變形破壞特征，對巷道支護方案進行了優(yōu)化模擬[2-4]。但是軟巖問題還未得到根本解決，許多問題還有待進一步地探討[5-8]。本文基于永貴能源開發(fā)有限責任公司新田煤（簡稱“新田煤礦”）礦1404 工作面，研究不同注漿錨索直徑情況下，工作面前方不同位置處位移、應力等參數變化。以期為注漿錨索在煤礦巷道掘進圍巖支護中的應用提供借鑒。

1 工作面概況

1404綜采工作面煤層總體呈0～10°單斜構造，地質條件較簡單，本工作面沿煤層傾向俯采有寬緩起伏和小褶曲。相鄰巷道共揭露落差較大斷層3 條，其中F1402-2斷層落差較大，斷層兩盤巖層傾角變化大，對回采影響較大，該斷層在1404軌道順槽亦曾揭露。煤層頂底板構造如表1所示。

表1 煤層頂底板情況表

2 原超前支護方案與錨注性分析

2.1 原超前支護方案

1404 運輸巷沿煤層頂板掘進，巷道全長1 187 m，埋藏深度約為450 m。斷面為矩形斷面，設計凈寬為4 800 mm，凈高為3 000 mm。

頂板支護用φ22 mm×2 500 mm高強錨桿，錨桿間排距850 mm×800 mm，每根錨桿配MSCK2835 樹脂錨固劑1 支與1 支MSZ2835 樹脂錨固劑；幫部支護選用φ22 mm×2 000 mm 高強錨桿，錨桿間排距840 mm×800 mm，每根錨桿配備MSCK2835 樹脂錨固劑1 支與MSZ2835 樹脂錨固劑1 支；鋼筋網用φ6.5 mm 鋼筋焊接而成，規(guī)格1 000 mm×2 000 mm，網與網之間采用14#鐵絲雙股雙面連接綁扎牢固，綁扎間距200 mm，網與網之間搭接100 mm；W 鋼帶規(guī)格為4 600 mm×250 mm×5 mm，錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm；錨索用φ21.6 mm×8 200 mm 鋼絞線制作而成，間排距1 700 mm×1 600 mm，每根錨索配備MSCK2835樹脂錨固劑1 支和MSZ2835 樹脂錨固劑5 支，錨索托盤為鋼板加工，錨索外露長度150～250 mm。支護剖面圖如圖1所示。

圖1 1404運輸巷超前單體支護剖面圖（單位：mm）

2.2 1404運輸巷錨注性分析

針對頂板φ22 mm×2 500 mm 的高強錨桿和幫部φ22 mm×2 000 mm高強錨桿，采用拉拔設備進行了錨桿索錨固力監(jiān)測，頂板錨桿和幫部錨桿各進行了4 次拉拔試驗，每根錨桿配MSCK2835 樹脂錨固劑與MSZ2835樹脂錨固劑各1支。得出頂板錨桿的拉拔力分別為150 kN、155 kN、155 kN、150 kN，平均拉拔力為152.5 kN，滿足頂板錨桿設計預緊力150 kN要求，合格率100%；得出幫部錨桿的拉拔力分別為110 kN、105 kN、105 kN、100 kN，平均拉拔力為105 kN，滿足幫部錨桿設計預緊力100 kN要求，合格率100%。

受1404底抽巷水力沖孔影響，1404運輸巷圍巖較為破碎，結構不完整，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育豐富，具有良好的可注性。根據現(xiàn)場已施工的注漿錨索注漿情況：巷道圍巖條件良好時每孔可注漿料50～100 kg，漿液擴散良好；巷道圍巖條件破碎時每孔可注漿料250 kg以上，深部圍巖存在跑漿情況。

3 不同注漿錨索直徑下超前段圍巖變形控制效果

據實際煤層埋深以及巖層分布情況建立數值計算模型。模型在空間上分x、y、z三個方向，與實際開采情況比較，工作面推進方向在模型中為x方向，工作面走向方向為y方向，豎直方向為z方向，模型在空間尺寸上x方向64.8 m，y方向200 m（x和y組成水平面），z方向為60 m。模型計算采用摩爾——庫侖準則計算，數值模擬計算模型的巖體力學參數如表2所示。

表2 數值模擬計算模型的巖體力學參數

當注漿錨索直徑為22 mm 時，回采工作面煤壁處巷道垂直位移云圖如圖2所示。從圖2中可得，當注漿錨索直徑為22 mm 時，工作面煤壁處巷道頂板最大下沉量為91 mm，底鼓量最大為150 mm。

圖2 φ22 mm注漿錨索工作面煤壁圍巖垂直位移

為更加直觀反映不同注漿錨索直徑下的圍巖控制效果，對模擬云圖中相關參數值進行提取，得到不同注漿錨索直徑下的頂板下沉量、巷道回采側變形量，其中回采側變形量模擬結果統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 不同注漿錨索直徑下巷道圍巖和頂板下沉量

隨著超前工作面距離的增加，巷道超前段回采側變形量先增大后減小，峰值位于超前工作面5 m 處。頂板變形量隨著超前工作面距離的增加不斷降低。錨索直徑從14 mm 增加到22 mm 時，頂板變形量最大降低37 mm，降低幅度達到了34%（超前工作面距離為5 m 時）?；夭蓚茸冃瘟孔畲蠼档?9 mm，降低幅度達到了35%（超前工作面距離為5 m 時），表明采取更大直徑的注漿錨索可改善巷道圍巖變形控制效果。

4 現(xiàn)場驗證及支護方案優(yōu)化

根據工作面的推進情況，設計在距離1404工作面的切眼250 m 處布置一個200 m 的測試段。試驗段分為A、B 和C 三部分。試驗段A 中的錨索直徑為14 mm，試驗段B 中的錨索長度為18 mm，試驗段C 中的錨索寬度為22 mm，試驗方案如圖4所示。

圖4 1404運輸巷工業(yè)性試驗方案示意圖

掌握工作面礦壓規(guī)律是巷道支護設計和確保礦井安全生產的前提和基礎。通過對巷道圍巖變形和錨桿（索）應力的監(jiān)測分析，能夠獲得工作面開采過程中圍巖壓力的變化規(guī)律，為注漿錨索代替單柱超前支護方案的參數確定和優(yōu)化提供了依據。對1404 工作面運輸順槽超前支護段錨索受力情況進行觀測。利用壓力計測量其受力大小，錨桿（索）受力監(jiān)測采用MCS-400礦用本安型錨桿（索）測力計，1404工作面運輸順槽超前區(qū)支承壓力分布規(guī)律與模擬結果基本一致。表明使用更大直徑錨索能夠改善圍巖附近變形效果。

根據不同支護參數超前段圍巖變形控制效果模擬結果，結合1404 運輸巷現(xiàn)場頂板情況，考慮漿液擴散半徑的影響，確定了工作面注漿錨索超前支護初步方案：巷道頂板每排布置3根注漿錨索，錨索間排距初步定為1 700 mm×1 600 mm。注漿錨索規(guī)格為φ22 mm×8 500 mm，錨索垂直于頂板布置。采用MSCK2835（里段1根）、MSZ2835（外段5根）樹脂錨固劑進行錨固；錨索預緊力不低于200 kN；采用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm高強度鼓形托盤?？筛鶕F(xiàn)場地質條件及支護效果對支護參數進行優(yōu)化。

巷道回采側布置φ22 mm×2 500 mm 的高強錨桿護幫，間排距840 mm×800 mm；非回采側布置φ22 mm×4 250 mm的注漿錨索對巷幫進行注漿加固，間排距1 680 mm×1 600 mm。經過測量發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的巷道頂板、兩幫變形量均較之前有所降低。支護設計如圖5所示。

圖5 錨桿（索）測力計安裝剖面圖（單位：mm）

5 結論

對不同直徑錨索下巷道圍巖支護效果進行了數值模擬和現(xiàn)場驗證，并依據研究結果優(yōu)化了1404工作面巷道，得出以下結論：

1）在錨桿直徑為18 mm 和22 mm 時，隨著同工作面距離的增加，巷道超前段回采側變形量先增大后減小，峰值位于超前工作面5 m 處。隨著同工作面距離的增加，巷道超前段頂板下沉量和底鼓量逐漸降低，且底鼓量始終大于頂板下沉量。

2）錨索直徑從14 mm 增至22 mm 時，頂板變形量最大降低37 mm，降低幅度達到34%（超前工作面距離為5 m時）?；夭蓚茸冃瘟孔畲蠼档?9 mm，降低幅度達到35%（超前工作面距離為5 m時）。表明采取更大直徑的注漿錨索可改善巷道圍巖變形控制效果。

3）根據不同錨索直徑頂板和回采側圍巖變形效果，結合現(xiàn)場實際情況，對1404 工作面巷道支護方案進行了優(yōu)化。優(yōu)化后巷道頂板和兩幫變形量均有所降低。該研究為煤礦巷道支護提供一定借鑒經驗。