組合錨注支護(hù)在深部大斷面巷道圍巖控制的應(yīng)用

武沖鋒(晉能控股陽泉固莊煤業(yè)有限公司, 山西 陽泉 045060)

1 前言

近年來,隨著礦井開采深度不斷延伸,深部巷道支護(hù)難度不斷加劇,尤其是深部大斷面巷道的支護(hù)問題成為研究的熱點(diǎn)。 目前我國相關(guān)專家學(xué)者關(guān)于此問題做了大量研究,謝正正針對(duì)深部巷道頂板跨界錨固問題展開了研究,研究出跨界錨固措施并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施[1];單仁亮等人針對(duì)國內(nèi)目前巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)[2];李明明對(duì)深部軟巖支護(hù)進(jìn)行了理論分析,采用力學(xué)分析的方法闡述了軟巖中圍巖變形失穩(wěn)機(jī)理,為后期制定支護(hù)措施奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[3]。 其他專家學(xué)者針對(duì)支護(hù)措施分別展開了先關(guān)研究[4-13]。 但之前的研究主要為理論研究或者現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐,針對(duì)于深部大斷面巷道支護(hù)措施未進(jìn)行力學(xué)分析、新技術(shù)應(yīng)用、效果考察綜合性研究。

山西某礦2508 工作面為深部開采煤層,巷道支護(hù)初期出現(xiàn)巷道變形嚴(yán)重的現(xiàn)象,為解決該問題,現(xiàn)采用理論分析、數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的方法進(jìn)行了研究。

2 工程概況

某礦在采工作面為2508 工作面,主采煤層5#煤層,平均厚度4.9 m,傾角為2° ～5°。 煤層頂板為泥巖,平均厚度5.4 m;煤層底板為砂質(zhì)泥巖,平均厚度3.8 m;巷道圍巖硬度較低,掘進(jìn)過程中出現(xiàn)圍巖破碎嚴(yán)重現(xiàn)象。 巷道頂板巖層中軟巖厚度為30 m以上,巖層穩(wěn)定性較差,區(qū)域內(nèi)無斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造,賦存穩(wěn)定。 2508 工作面走向長(zhǎng)度1 269 m,切眼長(zhǎng)度190 m,工作面平均埋深681 m,巷道掘進(jìn)采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)法,整體效率比較高。 2508 工作面運(yùn)輸順槽斷面為矩形斷面,寬度5.6 m,高度3 m,整體斷面比較大。 巷道圍巖支護(hù)措施為中空注漿支護(hù),錨桿為中空注漿錨桿,錨桿底部使用漲殼式或者錨固劑進(jìn)行固定。 為確定合理支護(hù)措施,需針對(duì)不同錨固方式下巷道斷面圍巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究。 為保證數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性,支護(hù)區(qū)域內(nèi)煤層頂?shù)装鍘r性描述及進(jìn)行數(shù)值模擬使用的煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

3 組合錨注技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)錨桿+錨索組合支護(hù)技術(shù)實(shí)施過程中,將錨索插入鉆孔底部基巖,底部放置錨固劑,錨索底端安裝鋼托板,通過錨索將層狀巖層錨固為一體,底部錨固劑和另一端托盤之間為無填充,導(dǎo)致單個(gè)錨桿通過自身剛度承載支撐巖層之間豎向位移。 組合錨注技術(shù)所使用的錨桿為中通錨桿,錨桿施工后將托盤緊固后在錨桿中注入漿液,漿液返回后填充鉆桿和巖壁之間空隙,將鉆桿全段和巖體連接成為一體。組合錨桿進(jìn)行支護(hù)過程中,由于錨固劑和底部托盤之間注入混凝土,混凝土凝固后可以有效的將錨桿和孔壁之間的縫隙填充,增加了錨桿支護(hù)的整體性;同時(shí),由于中空注漿錨桿本身具有一定的強(qiáng)度,抗拉能力較強(qiáng),注入混凝土后,抗拉強(qiáng)度整體增強(qiáng),且錨固區(qū)域穩(wěn)定性增加,同時(shí)增加了錨固的抗剪能力,可以抵御巖層水平位移所產(chǎn)生的剪切力,從而增強(qiáng)錨固技術(shù)整體強(qiáng)度。

目前,組合錨注技術(shù)實(shí)施主要采用兩種中空注漿鉆桿,分別是漲殼式中空注漿錨桿和端錨式中空注漿鉆桿。 兩種注漿錨桿施工流程如圖1 所示。 漲殼式中空注漿錨桿是通過在錨桿底部加裝漲殼裝置,漲殼裝置和螺紋錨桿連接,且其本身為單向移動(dòng),當(dāng)漲殼裝置被伸到鉆孔底端時(shí),進(jìn)行注漿,漿液沿著中空螺紋鉆孔到達(dá)底端,通過底端注入孔壁,孔口進(jìn)行封孔,觀測(cè)返漿液管情況,當(dāng)返漿管大量返漿為注漿工藝完畢。 漲殼式中空注漿錨桿施工工藝具有操作簡(jiǎn)單,施工速度效率高的特點(diǎn),由于底部為機(jī)械式的漲殼裝置,因此極限拉拔應(yīng)力比較小。 通過測(cè)試大小約為20 MPa,因此,用于左右?guī)椭ёo(hù)。

圖1 注漿錨桿施工流程圖

端錨式中空注漿錨桿是通過在鉆孔底部加入樹脂錨固劑,然后插入中空螺紋鉆桿,孔口位置進(jìn)行封孔,從鉆桿底部注入漿液,知道返漿管開始大量返漿,則錨固工序完成。 端錨式中空注漿錨桿施工工藝同漲殼式中空注漿錨桿施工工藝對(duì)比該工藝施工效率較低,由于底端錨固劑采用化學(xué)方法,抗拉強(qiáng)度增加,可以錨固極限拉拔應(yīng)力達(dá)到30 MPa,因此該技術(shù)主要用于頂板錨固支護(hù)中。 兩種施工工藝如圖2 所示。 底端錨固劑采用Z2355 樹脂藥卷,注入的漿液為硅酸鹽水泥漿液,硅酸鹽水泥中加入適量速凝劑,保證注漿作業(yè)完成后可以快速凝固,最終整體性較好。

圖2 中空注漿錨桿施工工藝

巷道支護(hù)措施如圖3 所示,巷道頂板設(shè)置錨桿3 根,均勻分布,錨桿間距為2 m,使用端錨式中空注漿鉆桿;左右?guī)头謩e設(shè)置錨桿2 根,均勻分布,使用漲殼式中空注漿錨桿。 所使用的錨桿均為φ25 mm×6 m 規(guī)格,施工鉆孔為φ40 mm。

圖3 支護(hù)措施設(shè)計(jì)圖

4 錨注技術(shù)數(shù)值模擬分析

普通錨桿支護(hù)僅僅在底部裝錨固劑,使用普通錨桿進(jìn)行錨固,導(dǎo)致錨桿受力點(diǎn)在錨桿底部,容易出現(xiàn)脫落及中間斷裂的現(xiàn)象。 支護(hù)措施實(shí)施后,錨桿承受軸向應(yīng)力載荷,當(dāng)應(yīng)力超過錨桿材料彈性極限時(shí),錨桿便會(huì)斷裂,頂板垮落,左、右?guī)推瑤汀?/p>

為定性研究分析中空注漿錨桿和普通錨桿支護(hù)后錨固區(qū)域應(yīng)力分布圖,采用軟件COMSOL 進(jìn)行錨固區(qū)域應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究,模型尺寸為2508 工作面運(yùn)輸順槽斷面,模型寬度20 m,高度10 m,巷道斷面寬度5.6 m,高度3 m。 根據(jù)埋深-應(yīng)力擬和公式計(jì)算得到2508 工作面運(yùn)輸順槽埋深位置最大應(yīng)力24.79 MPa,最小應(yīng)力14.691 MPa;采用頂板應(yīng)力監(jiān)測(cè)法監(jiān)測(cè)得該區(qū)域平均應(yīng)力20.88 MPa,因此模擬過程中頂板邊界載荷設(shè)置為20.88 MPa。 其他力學(xué)參數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)取巖層樣本,在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得頂板、底板、煤層基本應(yīng)力參數(shù)。

假設(shè)煤層和頂?shù)装鍑鷰r為均勻介質(zhì),模型左、右邊界為固定約束,巷道頂板邊界應(yīng)力載荷為20.88 MPa,在邊界載荷的作用下,運(yùn)算7 d 模型應(yīng)力分布情況。 模擬得到兩種錨固技術(shù)應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖如圖4 所示。

圖4 分別模擬了中空注漿錨桿和傳統(tǒng)注漿錨桿支護(hù)措施完成后地應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖。 根據(jù)圖4(a)中應(yīng)力分布云圖可知,端部錨固實(shí)施后,距離巷道頂板6 m 位置點(diǎn)出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中區(qū)域,應(yīng)力最大值達(dá)到7 MPa,應(yīng)力集中區(qū)域中心點(diǎn)為錨桿底部位置,該位置點(diǎn)為錨固劑放置點(diǎn);三根錨桿之間位置同樣出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中區(qū)域,距離頂板1 ～4 m豎向區(qū)間范圍內(nèi),圍巖應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力大小均為7 MPa,0 ～ 1 m 豎向區(qū)間范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力為3 ～4 MPa。如果距離頂板6 m 位置點(diǎn)巖層比較軟,便會(huì)的出現(xiàn)該位置點(diǎn)巖層大面積破碎的現(xiàn)象,隨著時(shí)間的推移,巷道頂板便會(huì)出現(xiàn)垮落;錨桿承受軸向單向拉應(yīng)力,固定約束點(diǎn)為錨桿底部錨固劑位置點(diǎn),錨桿另一端安裝了托盤,托盤之間設(shè)置了錨網(wǎng);錨桿整體存在兩個(gè)固定端,在地應(yīng)力作用下,錨桿中部位置會(huì)出現(xiàn)位置點(diǎn)不確定性斷裂。 3 根錨桿斷裂順序也存在不確定性。 左右兩幫錨桿應(yīng)力集中點(diǎn)為錨桿底部區(qū)域,底部區(qū)域承受的最大應(yīng)力約為4 MPa,影響范圍約為2 m,左右兩幫錨桿主要承受圍巖水平位移產(chǎn)生的應(yīng)力載荷,巖體整體水平位移較小,因此左右兩幫錨桿底部應(yīng)力載荷峰值比豎向錨桿底部應(yīng)力載荷峰值低。 圖4(b)中頂板位移量分布云圖可知,頂板最大位移量140 mm,頂板已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重下沉,局部破碎嚴(yán)重。 根據(jù)圖4(c)中空注漿錨桿錨固應(yīng)力分布云圖可知,采用中空注漿錨桿支護(hù)后,頂板整體未出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中區(qū)域,頂板應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)榫嚯x巷道頂板0 ～2 m 區(qū)域范圍,應(yīng)力峰值約為1 MPa;左、右兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)榫嚯x左、右?guī)? ～3 m 區(qū)域范圍,應(yīng)力峰值為7 MPa,出現(xiàn)以上情況原因?yàn)橹锌斟^桿施工完成后注漿作業(yè)形成的應(yīng)力分散效應(yīng),該效應(yīng)無法緩解水平位移產(chǎn)生的應(yīng)力載荷,因此出現(xiàn)左右?guī)蛻?yīng)力集中區(qū)域大,頂板應(yīng)力均勻的現(xiàn)象。 圖4(d)巷道圍巖位移量分析,頂板最大位移量為60 mm,左右?guī)臀闯霈F(xiàn)位移量比較大的現(xiàn)象,巷道圍巖整體穩(wěn)定。

綜上所述,使用傳統(tǒng)端部錨固技術(shù)時(shí),應(yīng)力集中點(diǎn)在錨桿端部,中部分散一定的應(yīng)力,由于應(yīng)力出現(xiàn)點(diǎn)狀連接,錨桿錨固區(qū)域圍巖呈現(xiàn)分散現(xiàn)象,整個(gè)區(qū)域內(nèi)圍巖失穩(wěn)概率比較大,一旦錨桿從中部拉斷,錨固工程便會(huì)失去作用。 當(dāng)使用中空錨桿錨固時(shí),由于錨桿和圍巖之間填充了水泥漿,形成整體作用,有效控制了危險(xiǎn)豎向應(yīng)力集中,位移過大的現(xiàn)象,中空注漿錨桿錨固效果明顯。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果考察

根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果表明,中空注漿錨桿有效控制巷道圍巖載荷對(duì)錨桿的破壞作用。 為確定數(shù)值模擬運(yùn)算的可靠性,現(xiàn)分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施兩種支護(hù)措施的巷道進(jìn)行效果考察。

5.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2508 工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過程中采用漲殼式中空注漿結(jié)合端錨式中空注漿錨桿支護(hù)。 頂板位置采用端錨式中空注漿錨桿,兩幫采用漲殼式中空注漿錨桿,兩幫主要地應(yīng)力為水平位移,豎向地應(yīng)力比較小,漲殼式中空注漿錨桿完全可以滿足支護(hù)要求,且漲殼式中空注漿錨桿工藝施工效率高,可以大大提高整體支護(hù)效率,保證支護(hù)在安全的前提下提高整體效率。

為提高整體支護(hù)強(qiáng)度,巷道斷面頂板設(shè)計(jì)錨桿6 根,每根間距1 m,兩幫設(shè)計(jì)錨桿均為3 根,規(guī)格均為φ25 mm×6 m 型漲殼式中空錨桿,錨桿底部安裝托盤,托盤規(guī)格20 cm ×20 cm ×1 cm。 錨桿排間距設(shè)置為1 m,施工完成錨桿后安裝錨網(wǎng),并進(jìn)行噴漿作業(yè)。

噴漿材料為混凝土,主要原料為水泥、砂子、水。水泥與砂子比例為1∶2。 水泥為普通硅酸鹽水泥,編號(hào)不低于325,使用前進(jìn)行檢查,不得存在受潮結(jié)塊的現(xiàn)象。 砂子選用中砂,細(xì)度模數(shù)大于2.6,為保證噴漿完成后巷道整體性,混凝土中加入適量速凝劑,速凝劑選用鋁酸鹽粉末。

噴漿泵采用PZ -5 型噴射裝備,工作壓力0.6 MPa,輸送管內(nèi)徑50 mm。

5.2 效果考察

為研究中空注漿錨桿施工支護(hù)效果,現(xiàn)分別對(duì)中空注漿錨桿支護(hù)區(qū)域頂板情況進(jìn)行觀測(cè),安裝頂板離層儀,頂板離層儀安裝間距50 m,考察支護(hù)范圍為300 m,對(duì)中空注漿錨桿施工區(qū)域頂板和普通錨桿支護(hù)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)比周期為14 d。對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同區(qū)域頂板位移量統(tǒng)計(jì)圖

中空注漿錨桿施工區(qū)域,第1 d 深部、淺部位移量均為0;0 ～4 d,深部、淺部位移量出現(xiàn)小幅度變化,淺部位移量為2 mm,深部位移量為8 m,變化幅度比較小;5 ～10 d,深部位移量增加到31 mm,淺部位移量增加到7 mm;11 ～14 d,深部位移量增加到43 mm,淺部位移量增加到12 mm。 以上3 個(gè)時(shí)間段內(nèi),中部時(shí)間段增長(zhǎng)率比較大,初期位移量比較小,位移量整體區(qū)域平穩(wěn),變化量較小。 使用普通錨桿支護(hù)措施,第1 d 深部位移量達(dá)到18 mm,淺部位移量均為0;0 ～4 d,深部位移量變化比較大,從18 mm增加到81 mm,淺部位移量從0 mm 增加到21 mm,波幅較小;5 ～9 d,深部位移量增加到128 mm,淺部位移量增加39 mm;10 ～14 d,深部位移量增加到143 mm,淺部位移量增加到60 mm。 以上3 個(gè)時(shí)間段內(nèi),初期位移量波動(dòng)較大,中期波動(dòng)較小,后期趨于平穩(wěn)。 通過對(duì)比分析,使用普通錨桿支護(hù)后,前期、中期深部位移量均比中空組合錨桿支護(hù)措施實(shí)施區(qū)域位移量大,后期均區(qū)域穩(wěn)定,但普通錨桿支護(hù)區(qū)域深部位移量峰值為143 mm,中空錨桿支護(hù)措施實(shí)施區(qū)域深部位移量峰值為43 mm,相差懸殊。

通過后期頂板離層儀效果考察結(jié)果綜合分析可知:2508 運(yùn)輸順槽采用傳統(tǒng)底端錨固劑支護(hù)措施時(shí),支護(hù)區(qū)域內(nèi)深部最大位移量143 mm,淺部最大位移量43 mm;采用漲殼式中空注漿錨桿和端錨式中空注漿鉆桿綜合支護(hù)的巷道區(qū)域,頂板深部最大位移量60 mm,淺部最大位移量12 mm。 通過定量分析,中空注漿錨桿支護(hù)效果明顯。

對(duì)支護(hù)區(qū)域進(jìn)行宏觀考察,現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)錨桿斷裂、脫錨等錨固質(zhì)量問題,同時(shí)未出現(xiàn)明顯變形情況。 綜上所述,中空注漿錨桿支護(hù)措施效果明顯。后期出現(xiàn)斷層、褶皺等構(gòu)造區(qū)域可通過增加中空注漿錨桿密度對(duì)支護(hù)措施進(jìn)行優(yōu)化。

6 結(jié)論

為解決山西某礦2508 工作面運(yùn)輸順槽巷道變形嚴(yán)重問題,分析了圍巖情況,采用組合錨桿支護(hù)技術(shù)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行支護(hù),運(yùn)用數(shù)值模擬研究的方法對(duì)組合錨桿支護(hù)技術(shù)和普通錨桿支護(hù)技術(shù)實(shí)施巷道應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬研究,對(duì)兩種支護(hù)措施實(shí)施區(qū)域頂板變形情況進(jìn)行后期效果考察,通過理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施研究,得出以下結(jié)論:

(1)巷道圍巖變形嚴(yán)重原因?yàn)槁裆畲?、地?yīng)力大、斷面大和圍巖軟。

(2)數(shù)值模擬研究結(jié)果分析中空注漿錨桿錨固技術(shù)有效控制巷道圍巖受力不均勻的情況,支護(hù)效果明顯。

(3)后期效果考察結(jié)果顯示,傳統(tǒng)錨桿錨固支護(hù)區(qū)域深部最大位移量163 mm,中空注漿錨桿支護(hù)區(qū)域深部最大位移量60 mm,組合錨注支護(hù)措施效果明顯。

綜上所述,組合錨桿支護(hù)技術(shù)穩(wěn)定性高,安全性能良好,具有一定的推廣價(jià)值。