不同最大水平主應(yīng)力方向下巷道的錨桿支護技術(shù)研究

陳廣帥，張小康

(霍州煤電集團責任有限公司技術(shù)研究院，山西霍州031400)

1 地質(zhì)力學(xué)測試與分析

在李雅莊礦六采區(qū)進行了3個測站的地質(zhì)力學(xué)測試，第1測站在六采區(qū)上部6091巷內(nèi)，第2測站布置在軌道巷中，距第1測站1500m，第3個測站布置在6081巷，測站具體位置如圖1所示。

第1測站最大水平主應(yīng)力為20.91MPa，最小水平主應(yīng)力為11.44MPa，垂直應(yīng)力為12.44MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N19.0°W。第2測站最大水平主應(yīng)力為12.04MPa，最小水平主應(yīng)力為6.40MPa，垂直應(yīng)力為14.49MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N34.9°E。第3測站最大水平主應(yīng)力為14.62MPa，最小水平主應(yīng)力為8.40MPa，垂直應(yīng)力為15.03MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N57.2°E。第3測站邊上20m處有落差11m的大斷層，測試結(jié)果反映了斷層附近地應(yīng)力有較大的變化;第1測站周邊沒有地質(zhì)構(gòu)造的影響，測試結(jié)果能夠比較好地反映原巖應(yīng)力。當六采區(qū)巷道周邊沒有大的地質(zhì)構(gòu)造時，所受應(yīng)力水平應(yīng)與第1測站相差不大［1－2］。

六采區(qū)煤層回采過程中，大多數(shù)回采巷道的軸線方向基本上與6081巷、6091巷和軌道巷3條巷道中其中一個的軸線方向一致，本文以這3條巷道軸線方向為典型，研究不同水平主應(yīng)力方向下巷道圍巖的破壞規(guī)律與錨桿支護技術(shù)研究。由地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果可知，最大水平主應(yīng)力與6081巷道軸線方向夾角為59°，與軌道下山軸線夾角為32°，與6091巷道軸線夾角47°。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型及模擬方案

以李雅莊礦回采巷道為數(shù)值模擬對象，巷道斷面為矩形，寬5m，高3.6m。巷道沿煤層頂板掘進，煤層平均厚度3.3m，近水平賦存。煤體強度平均值為13.96MPa。頂板為粉砂巖和細砂巖，平均強度為52.01MPa。底板為細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，平均強度為54.11MPa。最大水平主應(yīng)力為20.91MPa，最小水平主應(yīng)力為11.44MPa，垂直應(yīng)力為12.44MPa。

模擬方案:分別模擬最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線夾角為32°，47°和59°時圍巖應(yīng)力分布、變形與破壞范圍。模型應(yīng)力邊界條件根據(jù)最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線的夾角確定［3］。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過數(shù)值模擬計算，可以得到3個巷道圍巖最大主應(yīng)力分布云圖，如圖2所示，3個巷道圍巖塑性區(qū)如圖3所示。

圖2 不同夾角的圍巖最大主應(yīng)力分布

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)分布

(1)巷道開挖后，巷道的頂板和底板出現(xiàn)垂直應(yīng)力降低區(qū)，巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，隨著巷道軸線與最大水平應(yīng)力夾角的增大，垂直應(yīng)力降低區(qū)和集中區(qū)面積和形狀均有變化。當夾角為32°時，垂直應(yīng)力降低區(qū)主要分布在巷道頂板及其上部和巷道底板及其下部;當夾角為47°和59°時，應(yīng)力降低區(qū)向巷道兩頂角的斜上方和兩底角的斜下方轉(zhuǎn)移。水平應(yīng)力在兩幫和頂?shù)装甯浇苄〉姆秶鷥?nèi)出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，隨著巷道軸線與最大水平應(yīng)力夾角的增大，頂板和底板的應(yīng)力集中區(qū)面積增大。

(2)巷道圍巖最大主應(yīng)力值在頂板上部和底板下部一定距離內(nèi)達到最大值，隨著巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角的增大，距離巷道頂?shù)装逶浇?。最大主?yīng)力在巷道周邊呈現(xiàn)橢圓形分布，橢圓形長軸在水平方向上，且隨著巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角的增大，最大主應(yīng)力逐漸向頂?shù)装灏l(fā)展，橢圓長軸長度與短軸長度比例不斷增大。

(3)巷道開挖后，在巷道周圍出現(xiàn)塑性區(qū)，當巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為32°時，巷道兩幫塑性區(qū)深度略大于頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育深度;當夾角為47°時，頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育深度明顯大于兩幫塑性區(qū)發(fā)育深度;當夾角為59°時，塑性區(qū)在巷道周邊基本上呈均勻分布，頂?shù)装鍨榧羟衅茐?，兩幫含有拉?yīng)力破壞。

(4)圖4為巷道軸線與最大水平主應(yīng)力不同夾角時巷道頂、底板和兩幫最大變形值。當巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為32°和47°時，巷道頂、底板變形量大于兩幫變形量。夾角為47°時，巷道圍巖變形明顯增大，頂?shù)装遄冃卧龃笞蠲黠@。當巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為59°時，頂?shù)装逦灰屏棵黠@減小，為3個角度中最小值，兩幫變形量和夾角32°時基本持平。由巷道圍巖最大變形量可以看出當巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為47°時，巷道穩(wěn)定性最差。

圖4 巷道圍巖最大變形值

總的來說，巷道圍巖的變形破壞特征與其軸線與最大水平主應(yīng)力方向的夾角的大小有著密切的關(guān)系，相對于32°和59°夾角來說，當夾角為47°時，巷道圍巖變形破壞最為嚴重，特別是頂、底板的破壞比較嚴重。

3 支護措施及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 支護方案

隨著錨桿支護理論和技術(shù)的發(fā)展，以及近些年來錨桿支護在煤巷中的廣泛應(yīng)用和施工機具與工藝的完善，按照一次支護、高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散、“三高一低” (即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度)、相互匹配、可操作性、經(jīng)濟合理等原則提出3種夾角類型巷道支護措施［4－5］。

考慮到施工的需要，針對3種夾角的巷道提出2種支護方案，方案一為當巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為32°和59°時，采用同一種支護方案;方案二為當巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為47°時，需要加強支護。以李雅莊礦6081巷斷面尺寸為例，矩形斷面，掘進寬度5.2m，高度3.7m，掘進斷面積為19.24m2。

3.1.1 支護方案一

圖5為方案一的支護示意圖。頂板錨桿排距1000mm，每排6根錨桿，間距900mm;錨桿采用桿體直徑為22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，屈服強度335MPa，長度2400mm，螺紋長度150mm，桿尾螺紋為M24;采用加長錨固的方式，采用2只樹脂藥卷，1支規(guī)格為 CK2340，1支規(guī)格為Z2360;采用高強錨桿螺母M24，配合高強托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，規(guī)格為150mm×150mm×8mm，鋼號不低于Q235，采用8號鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護頂，網(wǎng)孔規(guī)格 50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格5600mm×1100mm。用16號鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連;同時采用厚度4mm，寬280mm，長度450mm的W鋼護板護頂;錨桿全部垂直頂板安裝，錨桿預(yù)緊扭矩要達到300N·m，但不能超過500N·m。頂板錨索為1×19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索直徑為22mm，延伸率7%，長度5300mm，鉆孔直徑30mm，采用3支樹脂藥卷，1支規(guī)格為CK2340，2支規(guī)格為Z2360;錨索托盤采用300mm×300mm×14mm高強度可調(diào)心托板及配套鎖具，承載能力不低于500kN，托盤拱高不低于60mm;錨索為“二·二間隔”布置，排距2000mm，間距1800mm。全部垂直巷道頂板打設(shè)，錨索預(yù)緊力為250kN，考慮張拉損失，錨索初始張拉力不低于300kN。

圖5 方案一支護示意

兩幫錨桿排距1000mm，每排每幫4根錨桿，間距1000mm。桿體為直徑22mm，材料為左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強度335MPa，長度2400mm，螺紋長度150mm，桿尾螺紋為M24;采用樹脂加長錨固方式，采用2支樹脂藥卷，1支規(guī)格為CK2340，1支規(guī)格為 Z2360，鉆頭直徑為30mm;采用高強錨桿螺母M24，配合高強托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，規(guī)格為150mm×150mm×8mm，鋼號不低于Q235;采用W鋼護板護幫，厚度為4mm，寬280mm，長度450mm。采用金屬網(wǎng)護幫，材料為8號鐵絲，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格3600mm×1100mm，用16號鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連;錨桿預(yù)緊扭矩要達到300N·m，但不能超過500N·m;錨桿全部垂直巷幫打設(shè)。

3.1.2 支護方案二

當巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角為47°時，巷道圍巖的變形破壞較為嚴重，需要加強支護強度，方案二中支護措施是在方案一的基礎(chǔ)上加強支護而得，把方案一中巷道頂部W鋼護板護頂改為用W鋼帶護頂。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用分析

李雅莊礦開采2號煤，當前采區(qū)為六采區(qū)，埋深在600m左右，埋藏深度較大，六采區(qū)還剩余大量回采工作面，下一步掘進以回采巷道為主，該礦回采巷道原來支護存在的問題有:巷道支護密度大，支護效果一般，導(dǎo)致礦上采掘銜接緊張;地質(zhì)構(gòu)造段巷道支護效果差，掘進期間巷道不得不“前方掘進、后方起底”，回采期間巷道不得不起底、刷幫。

李雅莊礦井下進行了3根錨桿的拉拔試驗，錨固力均能達到要求，還進行過W鋼護板試驗，試驗效果較好。采用高預(yù)應(yīng)力強力錨桿錨索和W鋼護板支護，錨桿、錨索間排距比原來放大0.2m，提高單根錨桿強度，提高預(yù)緊力，這樣巷道支護材料成本與原支護方式支護材料成本相差不大;巷道支護效果明顯改善，巷道在掘進期間表面位移如圖6所示，變形很小，保證了圍巖的完整性，在巷道表面形成了一個穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，將來能夠抵御回采產(chǎn)生的超前集中應(yīng)力影響，實現(xiàn)巷道的一次支護，并且巷道掘進速度每月提高約20m，掘進速度得到大幅度提高。

圖6 巷道表面位移

目前，W鋼護板支護效果已經(jīng)得到礦上高度認可，該礦已開始自己加工W鋼護板，在所有掘進的回采巷道中使用，大幅度提高了支護效果與掘進速度，錨桿排距由800～900mm放到1000mm，極大地緩解了該礦采掘銜接緊張的狀況。

4 結(jié)論

(1)對于3種類型的巷道，當巷道軸線方向與最大水平主應(yīng)力呈47°夾角時，巷道圍巖變形破壞較為嚴重，特別是頂、底板;當巷道軸線方向與最大水平主應(yīng)力呈59°夾角時，巷道頂、底板變形破壞范圍最小，與兩幫破壞程度和夾角為32°時相當。

(2)巷道圍巖中最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力時，要特別關(guān)注巷道頂、底板的破壞;在支護設(shè)計時，首先要控制頂板和兩幫圍巖的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上盡量減小底鼓，爭取做到不起底。

(3)井下實踐表明，采用高預(yù)應(yīng)力強力錨桿錨索和鋼護板支護，巷道支護效果明顯改善，巷道基本上沒有變形，保證了圍巖的完整性，在巷道表面形成了一個穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，將來能夠抵御回采產(chǎn)生的超前集中應(yīng)力影響，同時提高了掘進速度。

［1］倪興華.地應(yīng)力研究與應(yīng)用 ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［2］李寶珠.礦井地質(zhì)力學(xué)測試在巷道支護中的應(yīng)用 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34(8):46－50.

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