高預(yù)緊力錨桿(索)在大斷面復(fù)合頂板巷道的應(yīng)用研究

魏紅印,蘇 毅

(1.霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司,山西 呂梁 033100;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

近些年來,隨著我國煤礦開采技術(shù)和裝備水平的不斷提高,井下巷道斷面不斷加大,巷道施工后,其圍巖穩(wěn)定性差,巷道變形大,特別是遇到特殊頂板條件時(shí),給巷道支護(hù)帶來了極大難題[1-2]。目前,我國煤礦巷道支護(hù)多采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的方式控制圍巖變形。針對(duì)特殊條件巷道,我國學(xué)者做了大量的研究工作。康紅普[3]提出高預(yù)緊力錨桿的概念,并用試驗(yàn)證明高預(yù)緊力錨桿支護(hù)體系可以有效控制巷道變形;張鎖等[4]研究認(rèn)為,對(duì)錨桿施加較高的預(yù)緊力可有效減少頂板淺部巖層離層量;文獻(xiàn)[5-6]研究了在工程試驗(yàn)中利用高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)體解決特殊條件下巷道大變形的問題。

上述研究為復(fù)雜條件的巷道支護(hù)問題指出了一個(gè)方向,但是針對(duì)礦井不同的地質(zhì)條件,特別是巷道圍巖條件和施工技術(shù)水平存在差異性,必須結(jié)合礦井實(shí)際情況,研究具體的支護(hù)技術(shù)方案。本文針對(duì)礦井復(fù)合頂板大斷面巷道原支護(hù)存在的大變形問題,通過圍巖探測技術(shù)、巷道變形機(jī)理分析和數(shù)值模擬計(jì)算,并結(jié)合高預(yù)緊力錨桿支護(hù)原理,提出支護(hù)優(yōu)化方案,并對(duì)試驗(yàn)巷道從掘進(jìn)至回采全過程的礦壓及變形情況進(jìn)行監(jiān)測,最終分析支護(hù)方案的可行性。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)巷道概況

木瓜礦可采4#、9#、10#煤層,礦井生產(chǎn)能力120萬t/a。試驗(yàn)巷道10-2022巷為工作面輔助運(yùn)輸順槽,設(shè)計(jì)長度650 m,位于9+10#煤層合并區(qū)域內(nèi),區(qū)內(nèi)煤層厚度6.2～7.0 m,平均傾角4°。工作面標(biāo)高范圍在+808～+854 m,地面標(biāo)高范圍+1 050～+1 190 m,蓋山厚度為263～315 m。巷道設(shè)計(jì)規(guī)格為巷寬5.2 m,巷高4.2 m,礦井首次采用大斷面煤巷掘進(jìn)。

1.2 巷道頂板巖性分析

巷道沿煤層頂板施工,為充分掌握巷道頂板巖性及裂隙發(fā)育情況,同時(shí)為巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供有力支撐,在巷道每隔100 m施工頂板鉆孔,孔深14 m,共計(jì)6組。采用YJC90/360礦用鉆孔窺視儀進(jìn)行了頂板巖性觀測,部分鉆孔窺視結(jié)果如圖1所示,巷道頂板柱狀圖如圖2所示。

圖1 頂板巖性鉆孔窺視圖Fig.1 Peep view of roof lithology boreholes

圖2 巷道頂板巖層柱狀圖Fig.2 Rock strata histogram of roof in roadways

通過頂板巖性測試表明,巷道頂板9.5 m范圍內(nèi)由砂巖、泥巖和石灰?guī)r交替復(fù)合而成,同時(shí)含有2～3層風(fēng)氧化層,9.5～10.0 m為軟弱泥巖、煤線,再往上為結(jié)構(gòu)較為完整的石灰?guī)r。頂板巖層風(fēng)氧化痕跡反復(fù)出現(xiàn),一般為厚度100 mm厚黃色軟弱層,夾雜在泥巖中。裂隙在砂巖和下位石灰?guī)r層中都有出現(xiàn),裂隙大多為縱向裂隙,巷道局部頂板存在灰?guī)r裂隙淋水。

2 巷道支護(hù)存在的問題及分析

2.1 原礦井巷道支護(hù)

在同一區(qū)域內(nèi),礦井施工順槽煤巷10-1071,巷寬4.2 m,巷高3.0 m,采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)。頂幫錨桿均選用Φ18mm的螺紋鋼錨桿,錨桿長度2 000 mm,配置Φ130 mm×8 mm圓形墊片,間排距880 mm×1 000 mm,預(yù)緊扭矩不低于180 N·m;頂錨桿采用CK2340及 Z2360各一卷,幫錨桿采用Z2360一卷;錨梁采用Φ12 mm的鋼筋焊接而成的雙筋梯子梁。頂錨索選用Φ18.9 mm×7 000 mm,“三·三”隔排布置,間距1 600 mm,排距3 000 mm,配套400 mm×400 mm×14 mm平鋼板,張拉力不低于180 kN,錨索采用CK2340及 Z2360各兩卷。頂、幫采用菱形網(wǎng),網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm×80 mm。

2.2 原巷道支護(hù)存在的問題

10-1071巷在選用常規(guī)支護(hù)后,掘進(jìn)期間煤柱側(cè)出現(xiàn)一定的變形。在工作面回采過程中,巷道圍巖發(fā)生了大變形。具體情況見圖3。

圖3 巷道原支護(hù)變形情況Fig.3 Deformation of the original support of roadways

如圖3所示，煤柱側(cè)巷幫中上部出現(xiàn)明顯的鼓起,巷寬變形量高達(dá)1 250 mm,巷高變形量達(dá)550 mm,且頂板深度3 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了離層,偽頂破碎形成大量網(wǎng)兜;錨索鋼板受力后出現(xiàn)拉翻；肩角錨桿出現(xiàn)整體壓出、破斷,鋼帶被拉穿等現(xiàn)象。巷道圍巖變形已嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)通過,需進(jìn)行大量起底、擴(kuò)幫和補(bǔ)打錨桿(索)等巷修工作。

2.3 原巷道支護(hù)問題分析

1)支護(hù)體方面。常規(guī)支護(hù)中錨桿的理論計(jì)算預(yù)緊力27.7 kN,處于低預(yù)緊力支護(hù)狀態(tài)下[7],不能較好地對(duì)復(fù)合頂板起到加固作用,組合梁效應(yīng)未充分發(fā)揮作用,不能及時(shí)有效地控制圍巖的下沉、離層、裂隙擴(kuò)增等變形,支護(hù)體承載能力大幅下降。

2)錨桿支護(hù)體結(jié)構(gòu)方面。錨桿的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)與其附屬件不匹配,無減摩墊片,預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率低;無調(diào)心球墊,桿體易受剪應(yīng)力,遇到動(dòng)壓疊加作用時(shí),出現(xiàn)錨桿破斷現(xiàn)象;托板面積小,且底部加工不整齊,受力后,易剪切鋼帶；肩角錨桿帶角度施工,不利于預(yù)緊力轉(zhuǎn)化,根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)場試驗(yàn),角度對(duì)預(yù)緊力的影響如圖4所示。相同扭矩作用,角度會(huì)降低錨桿的預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率50%左右。

3)錨索支護(hù)體結(jié)構(gòu)方面。平托板承載能力差,受力較大時(shí),托板中間凹陷,承載力降低,影響預(yù)緊力擴(kuò)散,甚至托板中部被拉穿。

圖4 不同角度錨桿扭矩轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)Fig.4 Torque conversion experiment of anchor rods with different angles

3 高預(yù)緊力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

巷道支護(hù)應(yīng)遵守以下的原則。

1)一次支護(hù),即依靠巷道開挖后的初次支護(hù)控制變形,盡量避免巷修。

2)向原巖三向受力狀態(tài)靠近,即盡量提高支護(hù)材料強(qiáng)度、支護(hù)體剛度、施工高可靠性。在提高支護(hù)材料強(qiáng)度(本次巷道頂板和煤幫均選用Φ20 mm、屈服強(qiáng)度335 MPa的螺紋鋼錨桿)、支護(hù)體剛度(錨桿提高預(yù)緊力并進(jìn)行全長錨固,與錨索聯(lián)合支護(hù))、施工可靠性(錨桿錨索采用拱形托盤、調(diào)心球墊和減摩墊片)的同時(shí),降低支護(hù)密度,提高掘進(jìn)速度。

3)各構(gòu)件相互配套,包括托板、螺母、錨梁、鋼帶等的規(guī)格與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配。

4)注重預(yù)緊力擴(kuò)散,使裸露圍巖均受主動(dòng)支護(hù)的壓應(yīng)力作用。

3.2 支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)選擇

3.2.1預(yù)緊力的確定

康紅普[7]教授提出主動(dòng)支護(hù)系數(shù)的概念,根據(jù)材料的性能,劃分了預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng),錨桿預(yù)應(yīng)力取值范圍應(yīng)達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%。筆者對(duì)不同材質(zhì)錨桿對(duì)應(yīng)的高預(yù)緊力區(qū)和預(yù)緊扭矩進(jìn)行理論劃分,如表1所示。本次設(shè)計(jì)選用直徑20 mm,屈服強(qiáng)度335 MPa的錨桿,其高預(yù)緊力區(qū)應(yīng)為42.6～63.9 kN,預(yù)緊扭矩最低應(yīng)為400 N·m。

表1 不同材質(zhì)錨桿對(duì)應(yīng)的高預(yù)緊力區(qū)及扭矩Table 1 High pre-tightening force area and torque of anchor rods with different materials

表1(續(xù))

3.2.2錨固方式的選擇

不同的錨固方式,錨桿附加應(yīng)力場區(qū)別較大，如圖5所示。端部錨固沿桿體長度方向應(yīng)力相等,桿體的受力對(duì)圍巖離層和變形不敏感,支護(hù)剛度相對(duì)低;加長錨固形成的有效壓應(yīng)力區(qū)厚度小,作用范圍比端錨固小;全長錨固應(yīng)力、應(yīng)變沿錨桿長度方向及圍巖體內(nèi)分布,支護(hù)體對(duì)圍巖離層和滑移變形敏感,支護(hù)剛度相對(duì)高。本次試驗(yàn)巷道頂板為多層巖層交替復(fù)合而成,考慮錨桿加固組合梁作用,全長錨固可以使錨固范圍內(nèi)的各巖層形成整體,能有效地約束巷道圍巖的變形和位移,并提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)剛度,錨固體可使錨桿避免因承受水平剪應(yīng)力而產(chǎn)生剪切破斷,因此本次設(shè)計(jì)選用全長錨固。

圖5 不同錨固長度的附加應(yīng)力場分布Fig.5 Additional stress field distribution of different anchorage lengths

3.2.3錨桿間距的選擇

不同錨桿間距的應(yīng)力分布如圖6所示。錨桿間距太大,形成的壓應(yīng)力區(qū)域是相互獨(dú)立的,支護(hù)結(jié)構(gòu)不是整體；錨桿間距太小,錨桿預(yù)應(yīng)力區(qū)相互疊加,造成浪費(fèi)。合理的間距,可以使錨桿壓應(yīng)力區(qū)相互連接,形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,本次設(shè)計(jì)考慮錨桿間距1 200 mm。

圖6 不同錨桿間距應(yīng)力場分布Fig.6 Stress field distribution of different anchor intervals

3.2.4錨索參數(shù)的選擇

錨索作用主要是基于懸吊理論,體現(xiàn)在兩方面:一是將錨桿支護(hù)范圍的巖層形成的承載結(jié)構(gòu)與深部穩(wěn)定基巖相連,進(jìn)一步提高淺位巖層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時(shí)利用深部巖層的承載能力,使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載;二是錨索施加較大預(yù)緊力,可提供有效壓應(yīng)力,與錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)形成疊加作用,提高圍巖強(qiáng)度,保持圍巖完整性。

不同錨索長度的預(yù)應(yīng)力場分布如圖7所示。錨索長度較短,錨索有效壓應(yīng)力區(qū)范圍較小,間距一定時(shí),錨索長度方向壓應(yīng)力相互重疊;錨索長度較長,有效壓應(yīng)力區(qū)范圍變大,但錨索中部壓應(yīng)力數(shù)值較小,主動(dòng)支護(hù)作用在減小。根據(jù)數(shù)值計(jì)算,本次設(shè)計(jì)錨索間距2 000 m,長度選8 300 mm。

圖7 不同錨索長度的應(yīng)力情況Fig.7 Stress field distribution of different cable lengths

3.3 巷道支護(hù)參數(shù)確定

1)錨桿支護(hù):頂錨桿規(guī)格均為Φ20 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼錨桿,采用“五·五”均垂直巷道圍巖布置,間排距為1 200 mm×1 000 mm,全長錨固(選用錨固劑CK2340一卷、 Z2360兩卷,錨固長度2 204 mm)。幫錨桿采用規(guī)格均為Φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿,“三·三”布置,間排距為1 400 mm×1 000 mm,加長錨固(選用錨固劑Z2360一卷,錨固長度827 mm)。頂、幫錨桿均采用高強(qiáng)度方形帶拱托盤,規(guī)格150 mm×150 mm×8 mm,力學(xué)性能與桿體相匹配,配調(diào)心球墊和減摩墊圈,錨桿預(yù)緊扭矩不低于400 N·m,現(xiàn)場配備扭矩倍增器。

2)錨索支護(hù):錨索選用Φ18.9 mm、1×7股高強(qiáng)度鋼絞線,長度8.3 m,加長錨固。采用“二·二”布置,排距2 200 mm,間距2 000 mm,與錨桿交叉布置。采用300 mm×300 mm×12 mm高強(qiáng)度方形帶拱托盤,配調(diào)心球墊,錨索預(yù)緊力不低于200 kN。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖8所示。

4 巷道礦壓及變形規(guī)律分析

試驗(yàn)巷道每隔50 m安裝一組監(jiān)測點(diǎn),巷道礦壓及圍巖變形監(jiān)測結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖8 試驗(yàn)巷道斷面支護(hù)設(shè)計(jì)圖Fig.8 Section support design of test roadway

(a) 掘進(jìn)期間圍巖變化

(a) 掘進(jìn)期間錨桿索受力情況

巷道變形情況:由圖9(a)、圖10(a)可知,巷道掘進(jìn)期間,滯后掘進(jìn)迎頭0～65 m,巷道變形速率平均1.2 mm/d,在滯后65 m后,巷道趨于穩(wěn)定,兩幫最大移近量101 mm,頂?shù)装逡平?2 mm;工作面回采過程中,在距工作面0～30 m范圍內(nèi),巷道再次變形,且增長較快,兩幫累計(jì)變形量570 mm,頂?shù)装謇塾?jì)變形量352 mm,其中回采期間變形量分別占82.3%和77.2%。

錨桿、錨索受力情況:由圖9(b)、圖10(b)可知,錨桿錨索受力增長速度和增長量都很小,說明錨桿(索)高預(yù)緊力之后,巷道圍巖受力狀態(tài)向原巖三向受力狀態(tài)靠近,能夠有效控制巷道圍巖初期產(chǎn)生大變形,使巷道圍巖盡快達(dá)到平衡狀態(tài),充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載作用；回采過程中,未進(jìn)行巷道修整,能夠滿足使用要求。

5 結(jié)論

1)采用巷道圍巖探測技術(shù)、理論計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算等方法,結(jié)合錨桿索支護(hù)體結(jié)構(gòu),分析了復(fù)合頂板大斷面巷道支護(hù)存在的問題和圍巖控制技術(shù),并對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

2)通過現(xiàn)場試驗(yàn),由巷道掘進(jìn)和回采兩個(gè)時(shí)間段的礦壓及變形數(shù)據(jù)分析可知,錨桿(索)受力增長速度和增長量都很小;巷道兩幫累計(jì)移近量570 mm,頂?shù)装謇塾?jì)變形量352 mm,其中回采期間變形量分別占82.3%和77.2%;巷道能夠滿足使用要求。