預應力錨注技術在深部區域巷道圍巖控制中應用

韓少勇(山東能源集團肥城礦業公司工程管理科,山東泰安271600)

1 前言

近年來,礦井開采深度不斷延伸,導致礦井掘進巷道圍巖應力不斷增大,嚴重影響巷道支護穩定性。原始的巷道支護方式無法滿足巷道支護要求。針對高應力圍巖支護問題,我國相關領域專家已經做出諸多研究[1-3],并取得一定的研究成果,主要有中空注漿錨桿和高強注漿錨桿,但由于操作較為復雜,施工程序較多,嚴重影響支護效率。

本文以某礦11034 工作面運輸巷掘進為背景,采用預應力錨注技術對巷道進行支護,運用COMSOL 進行了預應力錨注技術應變模擬研究。

2 11034 運輸巷概況

11034 工作面長1 129 m,寬186 m,主采煤層3#煤層,巖層中間夾矸,上下分層見夾著一層泥質粉砂巖,頂板為泥巖,底板為泥質粉巖。根據勘查,距離地表最小距離1 300 m,屬于典型的埋深大、高應力區域。掘進過程中有少量水滲出,圍巖為軟巖,支護難度大。煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 3#煤層巖層柱狀圖

3 圍巖應變數值模擬研究

假設巷道周圍煤巖為均勻介質,巷道頂板粉砂巖、底板泥質粉巖均為均勻介質,巖層內應力分布均勻。所使用軟件為有限元軟件,模擬介質結構在彈性范圍內的應變情況[4-6]。

11034 運輸巷巷道斷面設計為半圓拱形,COMSOL 模擬所用幾何模型和巷道設計斷面尺寸為1∶1比例。幾何模型如圖2所示。

圖2 模擬巷道幾何模型

3.1 巷道未支護圍巖應力分布模擬

巷道未進行支護時,巷道承受的豎直方向的應力為200 MPa,水平方向應力為120 MPa。不同巖層基本參數見表1。

表1 巖層基本參數表

本文采用固體應力瞬態模型,模擬出巷道斷面受到應力30 d 時的應力分布情況。應力分布如圖3所示。

為了解頂板應力分布情況,本文模擬得出中部位置到頂板距離0～2 m 線型應力分布曲線[7],曲線圖如圖4所示。

圖4 頂板應力變化曲線圖

由圖3、4 可知,巷道正上方應力最大,達到1.9 ×108Pa,隨著距離頂板位置越來越遠,應力逐漸降低,最終趨于平穩。在距離頂板約2 m 位置點應力基本趨于平穩,此時應力約1.0 ×108MPa。

圖3 30 d 時巷道斷面應力分布云圖

3.2 巷道支護后圍巖應力分布模擬

為了研究預應力注漿錨固后巷道圍巖應力分布情況,假設頂板每排實施預應力錨桿5 根,巖體周圍所受的應力和原始應力模擬基本一致,周圍巖體基本參數和表1 一致,運用軟件COMSOL 進行數值模擬,巷道周圍應力分布如圖5所示[8-10]。

為定量研究巷道周圍應力分布情況,本文分別對巷道頂部錨桿不同時間段軸向應力分布情況進行了模擬,模擬圖如圖6所示。

由圖5、圖6 可知,錨桿軸向應力分布均勻,介于1.7 ×108～1.9 ×108Pa。15 d、20 d、30 d 三個時間段應力基本變化偏差較小。

圖5 錨固巷道周圍應力分布云圖

圖6 錨桿軸向應力分布曲線圖

3.3 模擬分析

分析巷道進行預應力錨注技術和未進行預應力錨注技術巷道周圍巖石應力分布情況可知,巷道未實施預應力錨固技術時,巷道頂板圍巖應力分布比較集中,而且整個頂板應力分布范圍較大,水平方向應力延伸至左、右巷幫上。當進行了預應力錨注技術后,頂板圍巖應力平均分布在錨桿上,并有效解決了巷幫應力延伸的問題。

4 現場應用

基于本文數值模擬研究成果,在11034 運輸巷支護過程中使用預應力錨注技術,錨固技術實施過程中,錨桿布置情況如圖7所示。

圖7 巷道段錨桿布置圖

巷道實施完成預應力錨注技術之后,運用速凝水泥進行了錨噴,底板進行了網片注漿鋪設。錨桿均采用鋼制錨桿,φ30 mm,錨桿施工密度為0.5 m×0.5 m,支護完成后安裝了頂板離層儀等監測設備進行了圍巖變形監測。觀測發現預應力錨注支護巷道區域在180 d 的周期內未出現巷道斷面垮落現象,巷道整體未出現大幅度變形。分析頂板離層儀監測數據,頂板離層儀數據穩定。

5 結論

本文針對深部高應力巷道支護問題,運用耦合數值模擬研究和現場應用考察的方法進行了相關研究,得出以下結論:

(1)原始巖層狀態進行開挖過中,深部巷道斷面頂板承受的應力最大,最大可達到1.9 ×108Pa,頂板應力向兩幫傳遞。

(2)運用預應力錨注技術的巷道頂板應力被錨桿承接,巷道頂板應力被傳遞到錨桿上后,有效解決了頂板巖石豎向離層問題,可有效控制頂板垮落。

(3)通過現場考察分析,預應力錨注技術有效解決了深部巷道頂板巖石垮落、行幫大幅平移等問題,保證了支護巷道長時間完成性。

綜上所示,預應力錨注技術從理論和實踐上均可行。