高預(yù)應(yīng)力柔性錨固支護(hù)卸壓參數(shù)分析

盧宏亮，陳朋磊

(1.霍州煤電集團(tuán)豐峪煤業(yè)，山西 霍州 031400； 2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

針對復(fù)雜難支護(hù)巷道底鼓嚴(yán)重的問題，現(xiàn)階段主要采用開卸壓槽、拉底、卸壓鉆孔等方式。對于開卸壓槽方式，需要經(jīng)常拉底，工作量相對較大；對于卸壓鉆孔方式，是一種相對合理的卸壓方式，其卸壓鉆孔參數(shù)的選取非常關(guān)鍵，鉆孔卸壓技術(shù)分為底板卸壓、幫部卸壓和超前卸壓，大量數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)表明，幫部卸壓會(huì)影響幫部支護(hù)構(gòu)件，容易造成支護(hù)構(gòu)件破斷失效。國內(nèi)學(xué)對其進(jìn)行了很多研究，文獻(xiàn)[1]研究了預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)法面層上的豎向土拱效應(yīng)，通過分析，得到了預(yù)應(yīng)力錨桿之間土拱的曲線方程，為預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)面層上的土壓力計(jì)算以及面層設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；文獻(xiàn)[2]揭示了卸壓巷道圍巖弱化變形特征，指出巷道卸壓后蠕變隨卸壓程度的增加而加大，分析了深部鉆孔卸壓巷道圍巖蠕變規(guī)律，設(shè)計(jì)了巷道加固方案。鑒于此，本文采用數(shù)值模擬方式，研究了底板卸壓鉆孔的最佳參數(shù)，研究為后期巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 高預(yù)應(yīng)力的柔性錨固支護(hù)技術(shù)

讓壓錨桿(索)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 讓壓錨桿(索)結(jié)構(gòu)Fig.1 Let pressure anchor (cable) structure

高預(yù)應(yīng)力的柔性錨固支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)有巷道圍巖高應(yīng)力的轉(zhuǎn)移技術(shù)和實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度柔性支護(hù)的保證技術(shù)[5-10]，其基本原理如圖2所示。

圖2 高預(yù)應(yīng)力的柔性錨固支護(hù)的基本原理Fig.2 Basic principle of high prestressed flexible anchoring supporting

2 數(shù)值模擬分析

為了研究不同卸壓鉆孔具體參數(shù)對煤礦巷道底板卸壓的影響[11-17]，設(shè)置鉆孔具體參數(shù)：鉆孔排距0.5、1.0、1.5、2.0 m，鉆孔長度1.2、1.8、2.4、3.0 m，鉆孔直徑100、150、200 mm；鉆孔布置方式：每排2個(gè)、每排3個(gè)、“五花”布置。

2.1 鉆孔布置對巷道底板卸壓效果的影響

設(shè)置鉆孔的排距為1.0 m，直徑為200 mm，鉆孔長度為2.4 m，不同鉆孔布置形式下巷道底板應(yīng)力分布如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)每排2個(gè)鉆孔時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力最大值為73 MPa；當(dāng)每排3個(gè)鉆孔時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力最大值為75 MPa；當(dāng)鉆孔“五花”布置時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力最大值為72MPa。發(fā)現(xiàn)每排的鉆孔數(shù)越多，底板應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果越好，當(dāng)采用“五花”布置時(shí)，巷道底板應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果越好。

圖3 不同鉆孔布置形式下巷道底板應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of roadway floor under different drilling arrangements

不同鉆孔布置形式下巷道底鼓量最大值見表1。

表1 不同鉆孔布置形式下巷道底鼓量最大值Tab.1 Maximum displacement of roadway floor under different drilling arrangements

不同鉆孔長度下巷道底鼓最大值見表2。由圖3和表2可知，鉆孔“五花”布置對巷道底板卸壓效果較好。

表2 不同鉆孔長度下巷道底鼓量最大值Tab.2 Maximum displacement of roadway floor under different drilling lengths

2.2 鉆孔長度對巷道底板卸壓效果的影響

為了模擬分析不同鉆孔長度下巷道底板卸壓效果，鉆孔排距設(shè)置為1.0 m，直徑設(shè)置為200 mm，鉆孔采用“五花”布置，不同鉆孔長度下巷道底板應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 不同鉆孔長度下巷道底板應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of roadway floor under different drilling lengths

由圖4可知，當(dāng)鉆孔長度為1.2 m時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為73.5 MPa；當(dāng)鉆孔長度為1.8 m時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為72.5 MPa；當(dāng)鉆孔長度為2.4 m時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為72.0 MPa；當(dāng)鉆孔長度為3.0 m時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為79.5 MPa。由圖4和表1可知，鉆孔長度為2.4 m時(shí)對巷道的底板卸壓效果最好。

2.3 鉆孔直徑對巷道底板卸壓效果的影響

為了模擬分析不同鉆孔直徑下巷道底板卸壓效果，鉆孔長度設(shè)置為2.4 m，鉆孔采用五花布置，排距設(shè)置為1.0 m，不同鉆孔直徑下巷道底板應(yīng)力分布如圖5所示。由圖5可知，鉆孔直徑為100 mm時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為74 MPa，鉆孔直徑為150 mm時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為73 MPa，鉆孔直徑為200 mm時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為71 MPa，鉆孔直徑為250 mm時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為79 MPa。數(shù)據(jù)表明，隨著鉆孔直徑的增加，巷道圍巖水平應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢。

圖5 不同鉆孔直徑下巷道底板應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of roadway floor under different borehole diameters

不同鉆孔直徑下巷道底鼓最大值見表3。

表3 不同鉆孔直徑下巷道底鼓量最大值Tab.3 Maximum displacement of roadway floor under different borehole diameters

由圖5和表3可知，鉆孔直徑在200～250 mm時(shí)對巷道的底板卸壓效果最好。

2.4 鉆孔排距對巷道底板卸壓效果的影響

為了模擬分析不同鉆孔排距下巷道底板卸壓效果[9-15]，設(shè)置鉆孔直徑為200 mm，鉆孔長度為2.4 m，鉆孔采用“五花”布置，不同鉆孔排距下巷道底板應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 不同鉆孔排距下巷道底板應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of roadway floor under different drilling spacing

由圖6可知，鉆孔排距為0.5 m時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為73 MPa；鉆孔排距為1.0 m時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為72 MPa；鉆孔排距為1.5 m時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為77 MPa；鉆孔排距為2.0 m時(shí)，巷道圍巖水平應(yīng)力的峰值為78 MPa。數(shù)據(jù)表明，隨著鉆孔排距的增加，巷道圍巖水平應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢。

不同鉆孔排距下巷道底鼓量最大值見表4。

表4 不同鉆孔排距下巷道底鼓量最大值Tab.4 Maximum displacement of roadway floor under different drilling spacing

由圖6和表4可知，鉆孔排距在0.5～1.0 m時(shí)對巷道的底板卸壓效果最好。

通過對高預(yù)應(yīng)力的柔性錨固支護(hù)卸壓參數(shù)的數(shù)值模擬，最終確定合理的卸壓參數(shù)為：鉆孔采用五花布置、鉆孔長度應(yīng)為2.4 m、鉆孔直徑應(yīng)在200～250 mm、鉆孔排距應(yīng)在0.5～1.0 m。該條件下巷道的底板卸壓效果最好。

3 工程實(shí)踐

以鶴煤八礦-655 m水平南大巷為礦井開拓大巷為例，采用高預(yù)應(yīng)力的柔性錨固支護(hù)：①頂板支護(hù)。錨桿間排距均為1 000 mm，布置6根錨桿，兩肩角距巷幫200 mm，采用直徑為22 mm、長2 400 mm的螺紋鋼讓壓錨桿；網(wǎng)片尺寸為5.8 m×1.1 m；錨索采用直徑為22 mm、長2 400 mm的1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線的鳥巢錨索。②幫部支護(hù)。錨桿間排距均為1 000 mm，頂?shù)装邋^桿傾角為10°，布置4根錨桿，采用直徑為22 mm、長2 400 mm的螺紋鋼讓壓錨桿；網(wǎng)片尺寸為3.5 m×1.0 m。

該煤礦1206運(yùn)輸巷進(jìn)行了巷道底板鉆孔卸壓試驗(yàn)，卸壓參數(shù)為：鉆孔排距為1 000 mm，直徑為200 mm，排距為1 m，布置方式如圖7所示。為了驗(yàn)證該支護(hù)技術(shù)對圍巖支護(hù)的效果，對該巷道進(jìn)行了位移監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間為60 d，巷道頂?shù)装逡平侩S時(shí)間變化曲線如圖8所示。由圖8可知，巷道頂板下沉量最大為76 mm，底鼓量最大為52 mm，均在巷道允許變形范圍內(nèi)，表明了該技術(shù)能夠有效控制圍巖變形，支護(hù)效果明顯。

圖7 1206運(yùn)輸巷道底板鉆孔布置方式Fig.7 Layout of floor boreholes in 1206 transportation roadway

圖8 巷道頂?shù)装逡平侩S時(shí)間變化曲線Fig.8 Curve of the moving amount of roof and floor of roadway with time

4 結(jié)論

(1)高預(yù)應(yīng)力的柔性錨固支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)有高預(yù)應(yīng)力支護(hù)和柔性支護(hù)。

(2)通過對高預(yù)應(yīng)力的柔性錨固支護(hù)卸壓參數(shù)的數(shù)值模擬，最終確定合理的卸壓參數(shù)為：鉆孔采用“五花”布置、鉆孔長度應(yīng)為2.4 m、鉆孔直徑應(yīng)在200～250 mm、鉆孔排距應(yīng)在0.5～1.0 m。

(3)經(jīng)過工程實(shí)踐，高預(yù)應(yīng)力的柔性錨固支護(hù)技術(shù)能夠有效控制圍巖變形，且支護(hù)效果明顯。