深部巷道錨索拉剪破斷機理及防護技術研究

鄭 楠,楊永剛,晁俊奇,朱修亮

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司 朱集東煤礦,安徽 淮南 232087;2.安徽省煤炭科學研究院,安徽 合肥 230001)

大量工程實踐表明,錨索支護在大斷面巷道、破碎圍巖巷道、高應力巷道、強烈動壓巷道及沿空巷道等復雜困難條件巷道支護中起到了良好的加固作用。近年來,隨著我國煤礦開采深度增加和地質條件的復雜化,復雜困難巷道所占的比例越來越大,預應力錨索用量也逐年增加,錨索的作用已從補強加固措施轉變為常規支護手段,一定程度上還成為不可或缺的支護手段[1-3]。然而,在深部復雜應力環境巷道支護工程中,開始出現了不同程度的錨索退錨、破斷彈射等嚴重問題,給深部煤礦巷道支護的可靠性和安全性帶來重大的系統性風險[4-6]。

為提高錨索在深部巷道的工程適用性,我國許多專家學者對此進行了研究。李金奎等[7]為解決巷道頂板易離層冒頂問題,提出并實施了巷道復合頂板全錨索一次支護方案,有效控制復合頂板的離層和下沉;郭相平等[8]針對試驗巷道圍巖大變形及支護構件變形失效等問題,提出了全錨索支護技術,并闡明了其支護機理,有效控制了巷道圍巖變形;朱海建等[9]以軟弱圍巖疊加拱承載體強度理論為依據,研究了長短錨索支護技術在破碎頂板條件下支護效果;石垚等[10]針對錨索破斷問題,采用實驗室試驗和井下實測方法分析了巷道錨索破斷原因,并提出了針對性解決措施。

上述研究促進了錨索支護技術的進步,但錨索拉剪復合破斷機理的研究不充分。本文針對深部巷道支護工程中出現的錨索拉剪復合破斷現象,研究了錨索拉剪復合破斷及彈射致災機理,并提出了針對性的防護措施。

1 圍巖變形與支護體受力關系研究

錨索的受力情況及其破壞特征與其所應用環境密不可分。煤礦巷道在掘出后,破壞了掘巷前的原巖應力狀態,巷道圍巖由原來的三向應力狀態變為雙向應力狀態。巷道內施工的支護結構雖然對巷道頂板提供了支護反力,但遠低于掘巷前的原巖應力,由此不可避免地導致巷道圍巖表面產生松動破壞,進而產生離層。安裝在巷道頂板中的支護體,如錨桿錨索的工作狀態必然與頂板巖層的運移變形、破壞特征密切相關。為此,采用離散元數值模擬軟件UDEC6.0開展了典型地質條件下的巷道頂板變形規律與支護體受力狀態關系數值模擬研究。

1.1 數值計算模型及參數選擇

模擬對象以實體煤巷道為例,以淮南礦區常見地層資料建立數值模型。模型尺寸為50 m×50 m,巷道尺寸為5.3 m×3.4 m,巷幫采用5根D22 mm×2 500 mm金屬錨桿配合M3鋼帶支護,頂板采用D22 mm×2 500 mm金屬錨桿和每排3根D22 mm×6 300 mm錨索配合T3型鋼帶組合支護。通施加二次應力的方式模擬回采影響,采用Mohr-Coulomb本構模型,應變模式采用大應變變形模式,模型底部限制垂直移動,模型前后和側面限制水平移動。數值計算模型如圖1所示。

圖1 圍巖變形與支護體受力關系數值計算模型

表1 巖體力學節理參數

1.2 數值模擬結果分析

為研究巷道頂板巖體運移規律,在模型頂板上方布置位移監測線,分別距頂板1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、7 m和9 m共計7條監測線,每條監測線長度10 m.圖2(a)為巷道周邊位移矢量,巷道開挖后圍巖由三向應力轉為兩向受力,圍巖向巷道空間內移動,且以巷中呈對稱分布,數值相同,方向相反。其中,頂板巖體運動規律表現為巷道中部3 m左右高度范圍內的圍巖位移矢量為垂直向下,無水平移動的趨勢;巷道兩側頂板巖層發生了指向巷道中心的斜向位移,即除發生垂直位移外還發生了向巷道中部的水平位移。

由圖2(b)為支護體位移矢量及圖3巷道頂板監測線水平位移曲線可見,巷道頂板中部的錨桿錨索僅表現為指向巷道中部的垂直位移,而其余錨桿錨索均發生了斜向位移,且最大水平位移發生在距中2～2.5 m位置,亦即巷道頂板除巷道中部的錨桿錨索外,其余支護體均受到支護阻力造成的拉應力和頂板巖體運動產生的剪應力共同作用。

圖2 巷道圍巖及支護體位移矢量

圖3 巷道頂板監測線水平位移曲線

2 拉剪復合條件錨索彈射機制

由前述巷道頂板變形規律與支護體受力狀態關系數值模擬研究結果可知,錨索的工作狀況和破斷與否與巷道頂板變形特征密切相關。巷道中部的錨索受力為單一的拉應力,而其他部位的錨索不同程度的受到拉應力與剪應力的復合作用。當巷道所處“大環境”較為惡劣,如沿空巷道處于構造帶內等條件時,頂板巖層就發生較為顯著的離層和錯位,導致錨索工作狀況急劇惡化,當超過錨索臨界抗拉強度就會導致錨索破斷。

礦用小孔徑預應力鋼絞線內錨固段采用樹脂錨固劑固定在穩定巖層中,外端采用錨索墊板和鎖具進行鎖定,并預緊張拉,可以采用材料力學中桿件模型進行錨索彈性勢能計算。

錨索彈性勢能計算的基本假定:①錨索支護結構中的鋼絞線按統一材質、統一直徑桿件考慮;②鋼絞線錨固段按固支條件考慮;③以目前常用的21.8 mm鋼絞線為例進行計算,鋼絞線全長等直;④作用于鋼絞線上的張拉力(包括預緊力和頂板來壓作用力)作用線與鋼絞線軸線重合;⑤鋼絞線受拉變形后遵循平面假設。

錨索拉剪復合作用下的彈性勢能計算模型如圖4所示。錨索在自由段處發生錯位離層,導致鋼絞線在此位置除受到預緊力及圍巖變形產生了附加拉應力外,還受到圍巖錯位移動產生的彎矩作用。

圖4 錨索拉剪復合作用下的彈性勢能計算模型

根據前述數值計算結果,圍巖表面產生了60～100 mm的水平位移(需要特別強調的是,對于沿空巷道、構造帶內等復雜應力環境下的巷道水平位移更大)。此時,該位置鋼絞線拉應力與彎矩聯合作用下的正應力為:

根據材料力學基本公式:

代入相關數值可得,當鋼絞線許用應力一定的條件下(1 860等級),鋼絞線在張拉力達到1 249.6 MPa時,錨索即發生破斷;錨索破斷載荷為391.1 kN時,錨索在拉剪復合作用下即會發生破斷,僅為錨索正常使用條件下極限破斷值的70%,在沿空巷道、構造帶內巷道等復雜應力環境巷道條件下錨索載荷很容易達到此值進而破斷。

根據前述形變性能計算公式,并代入數值可得:

代入數據,可得摩擦阻力所做功(J):

根據勢能守恒:

式中:ms為外露錨索重量,kg;mt為托板重量,kg.

若鋼絞線破斷發生在自由段1.5 m處,鋼絞線、墊板等斷裂部分總質量約為15.75 kg,由此可得,破斷段鋼絞線彈射瞬時速度為296 m/s,瞬時彈射速度極大,是造成錨索破斷致災的根本原因[11]。

3 錨索拉剪破斷防護技術

相關研究表明,對錨索實施全長錨固能夠較好的控制巖體的非連續大變形,減少索體有害受力,對錨索剪切破斷的發生能夠起到積極的作用。全長復合錨固主動防護技術[12-13]目的在于提高支護系統的初期剪切剛度,控制含結構面巖體的早期有害非連續變形,以及破斷時能夠即時發揮錨固體與錨索索體界面之間的夾持和摩擦作用,顯著降低破斷彈射瞬時速度及彈射距離。全長復合錨固技術雖說工藝簡單,但相對來說仍然增加了注漿工序,一定程度上影響了巷道進尺效率。為此,提出了被動防護技術,作為全長復合錨固主動防護技術的必要補充,兩者共同形成了深部巷道錨索主被動綜合防護體系,以適應不同礦井應用環境。

3.1 防護吸能裝置結構

提出的錨索被動防護技術是指通過在已安裝好的錨索上加裝一種防護裝置(見圖5),將錨索外露段進行防護,利用防護吸能裝置吸收錨索自由段破斷、外露段斷絲等的彈性勢能,從而消除錨索整體破斷彈射和斷絲彈射現象。

圖5 錨索彈射防護吸能裝置

3.2 防護技術工程應用

為驗證錨索破斷被動防護技術的應用效果,選擇淮南礦區朱集東礦1161(1)工作面軌道巷開展了工程應用。

1) 根據井下實際探查,在工作面超前120 m范圍內,由于超前支承壓力影響,巷道礦壓顯現較為劇烈,頂板支護結構受力明顯,錨索支護結構各種破壞形式均有體現:如錨索組合構件槽鋼梁被拉穿、顯著屈服變形、錨索斷絲彈射、錨索自由段破斷彈射等,給巷道正常使用帶來嚴重的系統性風險。

2) 為保證朱集東礦1161(1)工作面軌道巷正常使用,消除其安全風險,超前工作面50 m以外至120 m范圍內(50 m內巷道內有超前支架等設備)應用了錨索破斷被動防護技術,防護吸能裝置具體應用如圖7所示。巷道內人行道側每個斷面內平均安裝3組錨索破斷防護吸能裝置。為提高裝置使用效率,錨索防護裝置隨著工作面向前推進向外口循環交替使用。現場應用效果來看,錨索防護吸能裝置安裝后與常規錨網索支護相比,巷道安全狀況明顯改善,有效消除了錨索破斷致災威脅。

圖6 錨索支護失效現場照片

圖7 錨索破斷防護吸能裝置現場應用照片

4 結 語

1) 深部巷道頂板變形規律與支護體受力狀態關系數值計算結果表明,巷道頂板中部巖體表現為垂直向下的位移,該部位支護體主要受拉應力作用;其余部位巖體表現為垂直與水平位移復合運動,位移主要發生在巷道頂板2～3 m以淺區域,支護體受拉剪復合應力作用,易發生拉剪破斷。

2) 通過建立錨索拉剪復合作用下彈性勢能計算模型,研究了錨索破斷彈性勢能及彈射速度,分析了錨索破斷彈射致災機制。計算得出了破斷段鋼絞線瞬時彈射速度為296 m/s,拉剪復合作用下錨索破斷載荷為391.1 kN,是沿空巷道等復雜應力環境巷道錨索破斷致災的根本原因。

3) 形成了以錨索破斷彈射吸能裝置為核心的被動防護技術,并選擇朱集東礦1161(1)工作面軌道巷開展了井下工業試驗,有效消除了錨索破斷致災威脅,顯著提高了巷道錨索支護安全。