王李剛，李鵬俊

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

1 錨索破斷分析

1.1 地質(zhì)概況

王莊煤礦8107工作面運輸巷位于3號煤層，沿底掘進，寬×高=5.5 m×3.5 m，煤厚6.45 m，直接頂為2.54 m泥巖，基本頂為3.1 m厚的細砂巖，其巖層柱狀圖如圖1所示。巷道支護方案如圖2所示。巷道留有3 m左右的頂煤，頂板錨桿長度為2.4 m，幫錨桿長度為2.2 m，錨索長度為8.3 m，“3-2-3”布置，錨索直徑為18.9 mm，破斷載荷為409 kN。巷道受到采動影響后，現(xiàn)場礦壓觀測表明，圍巖變形量較大且變形持續(xù)時間較長，部分錨索出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

圖1 巖層柱狀

1.2 錨索受力分析

為了分析巷道錨索破斷原因，依據(jù)巷道地質(zhì)特點及支護形式，采用FLAC3D建立數(shù)值模型，如圖3所示，錨索采用內(nèi)置單元cable進行模擬，其初始工作載荷為210 kN，監(jiān)測巷道開挖及回采階段頂板錨索受力，得到如圖4所示的受力曲線，由此可知，巷道開挖后，在初始階段，圍巖變形能釋放，變形增長較快，錨索受力曲線呈現(xiàn)快速增長，達到234 kN，當圍巖變形趨于穩(wěn)定時，錨索受力增大速度放緩，最終趨于穩(wěn)定，掘巷穩(wěn)定后，在3-2-3錨索布置中，錨索受力由大到小依次是三根錨索中里側(cè)錨索、兩根布置錨索、三根錨索外側(cè)兩根錨索，錨索最大受力值分別為：242 kN、241.2 kN、239.2 kN。這是由于在掘巷階段，頂板下沉一般呈現(xiàn)出巷道中部較大而兩側(cè)較小的弧形分布。

在掘巷期間，錨索受力最大值都未達到其屈服極限及破斷載荷，說明原有支護基本可以滿足巷道掘巷期間的支護要求。隨著工作面的回采，巷道圍巖受到較大的回采動壓影響，支護體受力隨著圍巖離層變形的增大出現(xiàn)快速增長，并相繼達到錨索破斷載荷。回采期間巷道頂板非采動側(cè)最外側(cè)錨索最先出現(xiàn)破斷，之后中部錨索出現(xiàn)破斷，頂板采動側(cè)錨索最后出現(xiàn)破斷。在工作面動壓影響下，雖然巷道頂板采動側(cè)圍巖下沉量大于非采動側(cè)，但是其主要變形來自巖層的整體下沉，錨索支護范圍巖層的離層值由巷道淺部圍巖及其深部圍巖位移差所決定，因此，在巷道支護實踐中，應(yīng)當注重并及時監(jiān)測頂板離層量的變化。錨索全過程受力曲線表明，原有巷道支護方案僅能滿足巷道掘進過程中的支護需要，在工作面采動后，支護體可能因為較低的延伸率而破斷失效。

2 讓壓錨索參數(shù)確定

2.1 讓壓管力學(xué)實驗

為了緩解巷道錨索破斷的情況，采用讓壓錨索代替普通錨索，即在原有錨索托盤及鎖具之間安裝讓壓管，為了選取錨索相配套的讓壓管，采用C64.106/1 000 kN型電液伺服萬能試驗機對單泡讓壓管、雙泡讓壓管以及高強雙泡讓壓管進行力學(xué)性能測試，圖5為三種讓壓管試驗前后實物圖，圖6為讓壓管的載荷-變形曲線。

圖2 8107工作面運輸巷道支護斷面(mm)

圖3 數(shù)值模型局部支護

圖4 錨索受力曲線

根據(jù)讓壓管載荷-變形曲線可知：單泡讓壓管讓壓點RB=130.50 kN，最大讓壓行程Dmax=23.6 mm；雙泡讓壓管讓壓點RB=130.89 kN，最大讓壓行程Dmax=38.20 mm；高強雙泡讓壓管讓壓點RB=257.76 kN，最大讓壓行程Dmax=45.83 mm。

圖5 讓壓管試驗前后對比

由試驗結(jié)果可知，單泡讓壓管及雙泡讓壓管讓壓點大小基本相同，而高強雙泡讓壓管具有較大的讓壓點和讓壓行程。頂板錨索安裝時預(yù)緊力設(shè)計值不低于200 kN，單讓壓管及普通雙讓壓管讓壓點均低于設(shè)計值，讓壓結(jié)構(gòu)在錨索施加預(yù)緊力的過程中特別容易被壓扁而不能發(fā)揮有效讓壓作用。因此，確定巷道錨索配套讓壓管為高強雙泡讓壓管。

2.2 讓壓管長度確定

讓壓管長度的選擇極為重要，錨索采用較短長度讓壓管時，圍巖高應(yīng)力釋放不充分，仍會出現(xiàn)錨索過載現(xiàn)象，讓壓效果不明顯；同樣，讓壓管長度過長也會帶來種種問題，如讓壓管自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，錨索增阻緩慢導(dǎo)致圍巖變形難以控制等問題。因此，為了選取合理的讓壓管長度，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對比 5 cm、10 cm和15 cm高強雙泡讓壓管的圍巖控制效果。由于FLAC3D中并沒有讓壓結(jié)構(gòu)，因此巷道開挖后釋放一定的圍巖壓力再進行支護，圖7和圖8分別為工作面回采后巷道圍巖垂直位移以及水平位移云圖，由圖可知，讓壓管長度為5 cm、10 cm和15 cm時，頂?shù)装迨諗苛糠謩e為594 mm、205 mm和332 mm，兩幫收斂量分別為483 mm、144 mm和263 mm，結(jié)果表明，圍巖變形量并非隨著讓壓管長度的增大逐漸減小，而是呈現(xiàn)出先減小而后再增大的趨勢。讓壓管長度為10 cm時，圍巖變形云圖分布較為對稱，而其余兩種長度讓壓管支護過程中均出現(xiàn)了較為明顯的非對稱變形，不利于巷道圍巖穩(wěn)定。因此，確定巷道錨索采用長度為10 cm的高強雙泡讓壓管。

3 工業(yè)性試驗

王莊煤礦8107工作面運輸巷頂板錨索采用讓壓管后，為了考察讓壓錨索控制圍巖變形的效果，在巷道中采用十字布點法觀測圍巖表面位移、采用液壓枕觀測錨桿及錨索受力，驗證采用讓壓錨索后巷道支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。圍巖位移及支護體受力監(jiān)測結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖可知，采用讓壓錨索支護體系后，巷道圍巖變形較小，支護體受力均低于自身破斷載荷，圍巖穩(wěn)定性得到較好控制。

圖6 讓壓管載荷-變形曲線

圖7 圍巖垂直位移云圖

圖8 圍巖水平位移云圖

5 結(jié) 語

1) 王莊煤礦8107工作面運輸巷錨索破斷失效的主要原因為巷道圍巖受回采動壓作用后出現(xiàn)大變形，頂板離層量大于錨索最大延伸長度，錨索受力達到其極限破斷載荷。

圖9 巷道圍巖變形曲線

圖10 支護體受力曲線

2) 讓壓管的力學(xué)特性試驗及數(shù)值模擬結(jié)果表明，10 cm高強雙泡讓壓管與王莊煤礦8107工作面運輸巷頂板錨索匹配性較好，其讓壓點為257.76 kN。

3) 王莊煤礦8107工作面運輸巷采用讓壓支護體系后，圍巖變形控制效果較好，支護體受力低于破斷載荷。