陳鵬鵬

(西山煤電股份公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

1 工程概況

西山煤電股份公司杜兒坪礦721001工作面位于南十采區(qū)，工作面主采2號(hào)煤層，煤層平均厚度2.93 m，平均傾角為6°，煤層含一層不穩(wěn)定夾矸，厚度為0～0.45 m。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚1.5 m；基本頂為K6粉砂巖，均厚10.2 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚1.7m，基本底為中砂巖，均厚為10.2 m。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法。

721001工作面運(yùn)輸巷沿2號(hào)煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，凈寬4.0 m，凈高3.0 m，巷道原有支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板錨桿為D18 mm×2 100 mm的全螺紋錨桿，每排7根，間排距為700 mm×800 mm；兩幫錨桿為D20 mm×2 100 mm的螺紋鋼錨桿，每排4根，間排距為800 mm×800 mm；頂板錨索采用D15.24 mm×6 500 mm的1×7股鋼絞線(xiàn)，每排3根，錨索間排距為700 mm×1 600 mm。錨桿錨固長(zhǎng)度為1.2 m，錨索錨固長(zhǎng)度為2.0 m。并采用網(wǎng)孔規(guī)格為60 mm×60 mm的菱形網(wǎng)片進(jìn)行護(hù)幫護(hù)頂，具體支護(hù)方式如圖1所示。運(yùn)輸巷在原有支護(hù)方式下頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟枯^大，且易出現(xiàn)錨桿(索)失效的情況。

分析其原因，主要為以下幾個(gè)方面：①煤層及頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)松散破碎，圍巖中粘土礦物成分較高，具有遇水易軟化的特性，錨桿(索)錨固長(zhǎng)度較短，易致使煤巖與錨固劑界面之間出現(xiàn)滑脫失效現(xiàn)象；②原有支護(hù)方案中使用的D18 mm的等強(qiáng)右旋全螺紋錨桿，在破碎圍巖中其強(qiáng)度明顯偏低；錨桿(索)的預(yù)緊力較低，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可知錨桿在安裝時(shí)的預(yù)緊力均在20 kN以下[1-2]；③由于采用D15.24 mm的錨索，但錨索鉆孔直徑為28 mm，孔徑差過(guò)大易出現(xiàn)滑動(dòng)脫粘現(xiàn)象，另外錨索的破斷載荷僅為260 kN，故可知現(xiàn)采用的錨索不能與圍巖的大變形相適應(yīng)。基于上述原因，急需對(duì)巷道錨桿(索)的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，尤其需重視錨桿(索)的錨固長(zhǎng)度及錨固單元體與圍巖之間的承載性能，以此保證巷道圍巖穩(wěn)定。

圖1 721001工作面運(yùn)輸巷原有支護(hù)斷面(mm)

2 錨固單元體承載性能研究

在對(duì)巷道進(jìn)行錨桿(索)支護(hù)時(shí)，其支護(hù)效果會(huì)受到眾多因素的影響，其中錨桿(索)單元體的承載性能是評(píng)價(jià)支護(hù)效果的主要因素，現(xiàn)為對(duì)錨桿(索)的支護(hù)效果進(jìn)行有效分析，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同錨固單元體的承載特性、分布規(guī)律進(jìn)行研究。由于煤礦巷道現(xiàn)采用的錨桿的長(zhǎng)度基本在1.8～3.0 m之間，且現(xiàn)在的錨桿支護(hù)中多采用非全長(zhǎng)錨固的形式，錨固長(zhǎng)度一般在0.5～1.8 m之間，基于此確定數(shù)值模擬中的錨固長(zhǎng)度范圍為0.2～1.7m，視錨固單元體為圓柱體，取被錨固圍巖的直徑為0.4 m，在建立錨固模型時(shí)將垂直錨桿錨固方向上一定距離外的邊界采取水平位移約束，一定距離外的錨固圍巖沿著錨固方向視為無(wú)位移發(fā)生，具體數(shù)值模擬錨桿錨固單元?jiǎng)澐旨澳M方案如表1所示，各項(xiàng)模擬材料的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 錨固單元體承載性能模擬方案

表2 數(shù)值模擬材料各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)上述模擬方案對(duì)錨固體在不同錨固長(zhǎng)度下，針對(duì)軸向錨桿進(jìn)行加載，荷載等級(jí)以2.5 kN為一個(gè)等級(jí)逐漸增大，對(duì)于錨固長(zhǎng)度為0.2 m、0.8 m、1.4 m、1.7 m的錨桿，錨桿荷載加載范圍分別為2.5～20 kN、10～50 kN、30～90 kN、30～90 kN。錨固長(zhǎng)度為0.2 m、荷載10 kN和1.7 m、荷載75 kN時(shí)錨桿的張拉位移云圖如圖2所示。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)錨桿張拉試驗(yàn)值，統(tǒng)計(jì)分析錨固長(zhǎng)度與錨桿承載力特性的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。

圖2 不同錨固長(zhǎng)度、不同載荷下錨桿張拉位移云圖

圖3 錨桿錨固長(zhǎng)度與其承載力間關(guān)系曲線(xiàn)

通過(guò)分析圖2與圖3可知，在錨桿不同的錨固長(zhǎng)度下，隨著錨桿在軸線(xiàn)受到載荷的增大，則錨桿在自由端處的位置均會(huì)在彈性變形的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出線(xiàn)性逐漸增大的趨勢(shì)；隨著錨桿錨固長(zhǎng)度的增大，錨桿的三項(xiàng)承載力均表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，另外隨著軸向載荷的逐漸增大，錨固體單元會(huì)逐漸全部演化為脫粘區(qū)，此時(shí)錨固體錨桿僅剩下摩擦阻力提供的殘余抗拔力，此時(shí)的殘余抗拔力為最大拉拔力的45%，致使錨桿錨固體的承載能力大大降低。

基于上述分析可知，錨固體煤巖與錨固劑界面間的滑脫機(jī)理受到眾多因素的影響，當(dāng)錨桿的錨固長(zhǎng)度或者錨固的載荷較大，界面剪應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度時(shí)，錨固外端會(huì)進(jìn)入到塑性、脫粘階段，隨著錨桿錨固段外端滑移脫粘后，此時(shí)錨固的長(zhǎng)度會(huì)逐漸縮短，最終會(huì)致使煤巖體與錨固劑界面間出現(xiàn)整體的滑落失穩(wěn)。

3 支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)721001工作面運(yùn)輸巷的具體地質(zhì)條件，結(jié)合錨固單元體承載性能的數(shù)值模擬結(jié)果，利用煤巖-錨固劑界面滑脫失效理論對(duì)運(yùn)輸巷的支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)：

1) 錨桿(索)錨固力設(shè)計(jì)。根據(jù)垮落拱理論[3-4]能夠得知巷道在單位長(zhǎng)度的垮落拱內(nèi)錨桿(索)所能夠承受的圍巖的重量表達(dá)式為：

G=KdγST

(1)

式中：Kd為動(dòng)壓影響系數(shù)；S為包絡(luò)線(xiàn)內(nèi)圍巖體面積；γ為圍巖容重；T為巷道單位長(zhǎng)度。

根據(jù)運(yùn)輸巷的具體條件，取γ=13 kN/m3，Kd=1.5，S=3.21 m2，T=1.0 m，計(jì)算出錨桿索承受的圍巖重量G=269.16 kN，結(jié)合常用錨桿的參數(shù)，初步確定選用D20 mm×2 100 mm的錨桿、D17.8 mm×6 300 mm的錨索，錨桿采用一支K2550錨固劑和一支Z2550錨固劑進(jìn)行錨固，頂板錨桿設(shè)計(jì)錨固力75 kN，幫部錨桿設(shè)計(jì)錨固力為50 kN，頂板錨索采用1支K2550和1支Z2550型錨固劑進(jìn)行錨固，設(shè)計(jì)錨索的錨固力為120 kN，頂板錨索采用二一二布置，排距為1 600 mm。

根據(jù)原支護(hù)方案下對(duì)圍巖變形及錨桿載荷的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并與單根錨索的極限承載能力相結(jié)合確定頂板錨桿按照每排5根進(jìn)行設(shè)計(jì)，施加的最大預(yù)緊力為75 kN，兩幫按照每排8根錨桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，施加最大預(yù)緊力為50 kN。

2) 錨桿(索)預(yù)緊力設(shè)計(jì)。為了有效加強(qiáng)錨桿(索)的主動(dòng)支護(hù)效果，設(shè)計(jì)兩幫錨桿預(yù)緊扭矩為250～300 N·m，頂板錨桿預(yù)緊扭矩為300～350 N·m，頂板錨索的預(yù)緊力為150 kN。

3) 錨桿(索)錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。根據(jù)常用錨桿(索)長(zhǎng)度、錨桿(索)的彈性極限抗拔力和鉆孔直徑，并與錨桿(索)的設(shè)計(jì)載荷相結(jié)合，初步確定采用D25 mm的樹(shù)脂藥卷。頂板及兩幫錨桿的錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1.63 m，頂板錨索的錨固長(zhǎng)度為2.7 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)錨桿(索)的錨固長(zhǎng)度、錨固力，結(jié)合錨固單元體的承載性能的數(shù)值模擬分析能夠得知不同載荷條件下煤巖-錨固劑界面外端的最大剪應(yīng)力τmax及破斷和剪應(yīng)力的安全系數(shù)，得出錨桿(索)在現(xiàn)有錨固長(zhǎng)度下的設(shè)計(jì)載荷安全系數(shù)如表3所示。

表3 錨桿(索)設(shè)計(jì)載荷安全系數(shù)

根據(jù)表3可知，在該設(shè)計(jì)方案下錨桿與錨索的安全系數(shù)均在2.0以上，煤巖與錨固界面的剪應(yīng)力安全系數(shù)均大于1.5，故可知錨桿(索)在該支護(hù)方案下設(shè)計(jì)的錨固長(zhǎng)度與錨固力能夠滿(mǎn)足運(yùn)輸巷的使用要求。

具體運(yùn)輸巷優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 運(yùn)輸巷支護(hù)優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)(mm)

3.2 效果分析

為了檢驗(yàn)優(yōu)化后支護(hù)方案的支護(hù)效果，對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中巷道的表面位移進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，在滯后掘進(jìn)工作面20 m的位置布置礦壓監(jiān)測(cè)站，在測(cè)站布置完畢后，每天對(duì)圍巖表面位移的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次記錄，持續(xù)觀測(cè)10 d，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出如圖5所示的巷道圍巖變形-時(shí)間曲線(xiàn)。

圖5 支護(hù)方案優(yōu)化后巷道圍巖變形曲線(xiàn)

通過(guò)分析圖5能夠看出，優(yōu)化支護(hù)方案實(shí)施后在0～6 d內(nèi)巷道圍巖變形較快，第4 d頂板的變形量已經(jīng)達(dá)到125 mm，占到總變形量的93%，第6 d底鼓量達(dá)到130 mm，巷道兩幫的變形量較小；6 d后，巷道圍巖的變形逐漸趨于穩(wěn)定，表明巷道圍巖已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，最終巷道頂?shù)装宓淖畲笠平繛?95 mm，兩幫最大移近量為30 mm，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨桿(索)監(jiān)測(cè)可知無(wú)錨桿(索)的失效情況存在，巷道圍巖變形量得到了有效控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析721001工作面運(yùn)輸巷在原有支護(hù)下存在的問(wèn)題，并結(jié)合錨固單元體承載性能數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)運(yùn)輸巷原有的支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)優(yōu)化，根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在優(yōu)化后的支護(hù)方案實(shí)施后，頂?shù)装宓淖畲笠平繛?95 mm，兩幫最大移近量為30 mm，解決了巷道圍巖變形量大的問(wèn)題，無(wú)錨桿(索)失效情況出現(xiàn)，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。