松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)研究及應(yīng)用

周學(xué)斌(淮北礦業(yè)股份有限公司渦北煤礦, 安徽 亳州 233600)

1 前言

極松軟易破碎厚煤層強(qiáng)度低、承壓能力弱,巷道圍巖的穩(wěn)定性較差,掘進(jìn)過程中煤頂冒落和迎工作面片幫十分嚴(yán)重,且隨著生產(chǎn)的進(jìn)行,工作面回采巷道圍巖的承載系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)性能及承受的載荷大小等均發(fā)生變化,對工作面回采巷道的穩(wěn)定性有著極大的威脅[1-9]。因此,對極松軟易破碎厚煤層綜放工作面回采巷道穩(wěn)定性的有效控制是一個亟待解決的問題。預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)由于其高強(qiáng)度、高剛度的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)對松散煤體的及時支護(hù),降低錨固結(jié)構(gòu)整體支護(hù)過程中的預(yù)應(yīng)力損失。面對日益復(fù)雜的采礦地質(zhì)環(huán)境,研究、發(fā)展和應(yīng)用松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)對保障巷道安全具有重要的意義[10]。但常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)所采用傳統(tǒng)注漿料粘性低、流動性大,在極松軟易破碎厚煤層中已出現(xiàn)漏漿、錨固性低的問題,無法有效改變掘進(jìn)過程中煤頂冒落和迎頭片幫。因此,本文針對渦北煤礦842風(fēng)巷外段巷掘進(jìn)期間發(fā)生的片幫冒頂現(xiàn)象,根據(jù)全長錨固錨索與巷道圍巖相互作用的特點(diǎn),采用新型MZM-70無機(jī)注漿錨固料,對松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,并結(jié)合數(shù)值模擬方法對巷道圍巖變形破壞特征進(jìn)行研究,最終形成842風(fēng)巷外段的最優(yōu)預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固支護(hù)方案。

2 工程概況

渦北煤礦84采區(qū)842工作面位于84采區(qū)中部,為84采區(qū)首采工作面,84采區(qū)842風(fēng)巷外段巷道南起于842巖巷風(fēng)巷,北至842風(fēng)巷里段,西為843工作面,東為842機(jī)巷,是一段正在掘進(jìn)施工的極松軟易破碎厚煤層巷道。巷道底板標(biāo)高-818.4～-853.7 m,平均埋深836.05 m。842風(fēng)巷外段布置82煤層中,巷道斷面為斜腿三心拱巷道,巷道凈寬4.8 m、凈高3.4 m。巷道采用平頂U(kuò)型鋼棚+錨索支護(hù),頂板錨索按“333”方式布置,規(guī)格:YMSφ21.8/6200 mm,間排距1 200×700 mm;幫部采用YMSφ21.8/4100 mm錨索進(jìn)行支護(hù);間排距1 200 mm×700 mm,布置在距底板300 mm、1 500 mm各1道,錨索按“323”方式布置,U型鋼棚選用36U型鋼支架,棚距700 mm,巷道支護(hù)參數(shù)如圖1所示。

圖1 原巷道支護(hù)設(shè)計斷面圖

842風(fēng)巷外段采用平頂U(kuò)型鋼棚+錨索支護(hù),錨索是工程巖體加固的主要支護(hù)材料,具有錨固深度大、承載能力高、可施加較大預(yù)緊力的特點(diǎn)。而842風(fēng)巷外段所在煤層埋深較大,煤體極松軟易破碎,掘進(jìn)施工時頻繁片幫冒頂,巷道難以成形,端錨錨索支護(hù)極易產(chǎn)生錨固端頻繁失效、可錨性差,端部剪切破斷甚至彈出傷人等問題,使錨索材料性能難以充分發(fā)揮,增加潛在不安全因素。目前842風(fēng)巷外段支護(hù)設(shè)計方案中對于端錨錨索支護(hù)出現(xiàn)了兩種結(jié)果:一是支護(hù)強(qiáng)度不足,巷道存在嚴(yán)重安全隱患;二是采取盲目增加錨固長度、提高支護(hù)密度、加大預(yù)緊力等措施,但依然沒有解決巷道頻繁片幫冒頂、變形大的支護(hù)難題。因此,提出了松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)。

3 松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)確定

為分析在預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固條件下巷道的變形破壞特征,對842風(fēng)巷外段工程地質(zhì)條件做適當(dāng)簡化,運(yùn)用FLAC3D構(gòu)建三維計算模型,進(jìn)行數(shù)值分析,模型尺寸長×寬×高=100 m×80 m×100 m,模型上部邊界施加19.65 MPa的垂直荷載。數(shù)值模型如圖2所示,其中,8煤層單元設(shè)置為黑色,直接頂及直接底泥巖單元設(shè)置為深綠色,基本底細(xì)砂巖單元設(shè)置為青色,基本頂粉砂巖單元設(shè)置為紫色,巷道單元設(shè)置為紅色。巖體的力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定,具體見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 三維數(shù)值計算模型圖

考慮到FLAC3D中的Pile結(jié)構(gòu)單元更能較真實(shí)地反映錨固界面的力學(xué)行為和預(yù)應(yīng)力全長錨固錨索的受力特征,本次研究仍采用Pile結(jié)構(gòu)單元來模擬錨索。本文采用樹脂錨固劑-新型無機(jī)材料組合的方式來實(shí)現(xiàn)松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù),其實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示,圖中藍(lán)色錨索端頭部分設(shè)置樹脂錨固劑段,預(yù)應(yīng)力全長錨固錨索桿體部分設(shè)置新型無機(jī)材料錨固段,新型無機(jī)材料選用MZM-70無機(jī)注漿錨固料,具體步驟如下。

圖3 預(yù)應(yīng)力全長錨固錨索支護(hù)實(shí)現(xiàn)方法

步驟1:在FLAC3D數(shù)值模型的指定位置采用Liner結(jié)構(gòu)單元生成托盤構(gòu)件,同時采用Pile結(jié)構(gòu)單元生成錨索構(gòu)件的分段1和分段2,托盤構(gòu)件和錨索構(gòu)件的連接部位采用剛性連接,分段1和分段2分別根據(jù)其黏結(jié)屬性賦予錨固界面參數(shù),并在分段1和分段2上施加一對與預(yù)緊力大小相等、方向相反的節(jié)點(diǎn)力,具體方法如圖3(a)所示。

步驟2:運(yùn)算平衡后,采用Pile結(jié)構(gòu)單元生成錨索構(gòu)件的分段3,移除錨索的節(jié)點(diǎn)力,并根據(jù)錨索分段3的黏結(jié)屬性賦予其錨固界面參數(shù),具體方法如圖3(b)所示。

步驟3:運(yùn)算平衡后,重新賦予新型無機(jī)材料錨固段錨索的錨固界面參數(shù),具體方法如圖3(c)所示。

通過以上方法即可實(shí)現(xiàn)FLAC3D中的松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固支護(hù),此方法更符合現(xiàn)場實(shí)際工程中松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)的支護(hù)流程。在數(shù)值模擬計算中,Pile結(jié)構(gòu)單元用來模擬φ22/6 200 mm和φ22/4 100 mm型號的預(yù)應(yīng)力全長錨固錨索,錨索的預(yù)緊力為60 kN,Liner結(jié)構(gòu)單元用來模擬托盤,托盤的尺寸為300 mm×300 mm,具體錨索的輸入?yún)?shù)見表2、表3。

表2 錨索參數(shù)

表3 錨索托盤參數(shù)

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固支護(hù)方案

為確定842風(fēng)巷外段預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)參數(shù),模擬設(shè)置三種預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固支護(hù)方案,對比不同方案對842風(fēng)巷外段圍巖穩(wěn)定性的影響,最終確定預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固方案。方案一中每個斷面布置9根預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固,模擬方案如圖4(a)所示,方案二中每個斷面布置8根預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固,模擬方案如圖4(b)所示,方案二中每個斷面布置7根預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固,模擬方案如圖4(c)所示。圖中紅色部分為Pile結(jié)構(gòu)單元模擬的φ22/6 200 mm 和φ22/4 100 mm型號的預(yù)應(yīng)力全長錨固錨索。

圖4 風(fēng)巷外段預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固數(shù)值模擬方案示意圖

3.3 842風(fēng)巷外段支護(hù)效果分析

圖5和圖6所示分別為不同方案下842風(fēng)巷外段圍巖垂直位移和水平位移分布云圖。從圖5不同支護(hù)方案下巷道圍巖垂直位移云圖中可以看出,842風(fēng)巷外段巷道圍巖藍(lán)色到綠色漸近區(qū)域?yàn)樨?fù)值區(qū)域,代表圍巖下降程度,主要分布于巷道頂板,云圖圖例藍(lán)色到綠色漸近變化幅度由-85 mm到0 mm,其中方案一中巷道頂板圍巖云圖藍(lán)色到綠色漸近變化幅度為-40 mm到0 mm,方案二中巷道頂板圍巖云圖藍(lán)色到綠色漸近變化幅度為-45 mm到0 mm,方案三中巷道頂板圍巖云圖藍(lán)色到綠色漸近變化幅度為-85 mm到0 mm。方案一中巷道頂板圍巖云圖藍(lán)色到綠色漸近變化區(qū)域大致分布于巷道頂板0 m至3 m范圍內(nèi),方案二中巷道頂板圍巖云圖藍(lán)色到綠色漸近變化區(qū)域與方案一相近,而方案三中巷道頂板圍巖云圖藍(lán)色到綠色漸近變化區(qū)域則大致分布于巷道頂板0 m至10 m范圍內(nèi)。相較于方案一、方案二中的巷道頂板圍巖位移云圖變化,方案三中的巷道頂板圍巖位移的幅度及范圍均遠(yuǎn)大于前兩者。同樣的,在圖5中,842風(fēng)巷外段巷道圍巖綠色到紅色漸近區(qū)域?yàn)檎祬^(qū)域,代表圍巖上升程度,主要分布于巷道底板中,表示了巷道的底臌程度,云圖圖例綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增加到57 mm,其中方案一中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度為0 mm到47 mm,方案二中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增大到51 mm,方案三中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增大到57 mm。方案一中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區(qū)域大致分布于巷道底板0 m到7 m范圍內(nèi),方案二、方案三中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區(qū)域與方案一相近。相較于方案一、方案二和方案三中的巷道底板圍巖位移的幅度及范圍相差不大,巷道幫部及頂部支護(hù)參數(shù)的改變對巷道底板影響較小。

圖5 不同支護(hù)方案下巷道圍巖垂直位移云圖

圖6 不同支護(hù)方案下巷道圍巖水平位移云圖

從圖6不同支護(hù)方案下巷道圍巖水平位移云圖中可以看出,842風(fēng)巷外段巷道圍巖水平位移以向右為正,綠色到紅色漸近區(qū)域?yàn)檎祬^(qū)域,代表巷道圍巖左幫變形程度,云圖圖例綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增加到67 mm,其中方案一中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度為0 mm到38 mm,方案二中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增大到42 mm,方案三中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增大到67 mm。方案一中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區(qū)域大致分布于巷道左幫0 m到4.5 m范圍內(nèi),方案二、方案三中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區(qū)域與方案一相比逐漸增大,方案二、方案三中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區(qū)域分別分布于巷道左幫0～5 m、0～6 m。同樣的,在圖6中,842風(fēng)巷外段巷道兩幫圍巖藍(lán)色到綠色漸近區(qū)域?yàn)樨?fù)值區(qū)域,代表右?guī)蛧鷰r變形程度,云圖圖例藍(lán)色到綠色漸近變化幅度由-63 mm到0 mm,其中方案一中巷道右?guī)蛧鷰r云圖藍(lán)色到綠色漸近變化幅度為-32 mm到0 mm,方案二中巷道右?guī)蛧鷰r云圖藍(lán)色到綠色漸近變化幅度為-33 mm到0 mm,方案三中巷道右?guī)蛧鷰r云圖藍(lán)色到綠色漸近變化幅度為 -63 mm 到0 mm。方案一中巷道右?guī)蛧鷰r云圖藍(lán)色到綠色漸近變化區(qū)域大致分布于巷道右?guī)? m至4 m范圍內(nèi),方案二中巷道右?guī)蛧鷰r云圖藍(lán)色到綠色漸近變化區(qū)域與方案一相近,而方案三中巷道右?guī)蛧鷰r云圖藍(lán)色到綠色漸近變化區(qū)域則大致分布于巷道右?guī)? m至5 m范圍內(nèi)。相較于方案一、方案二中的巷道右?guī)蛧鷰r位移云圖變化,方案三中的巷道右?guī)蛧鷰r位移的幅度及范圍均遠(yuǎn)大于前兩者。巷道兩幫圍巖位移變化幅度及范圍對比,巷道左幫圍巖位移變化幅度及范圍略大于巷道右?guī)蛧鷰r。

結(jié)合圖5、圖6,形成不同方案下842風(fēng)巷外段圍巖變形量變化曲線,具體如圖7所示。從圖7中可以看出,方案一中在巷道斷面布置9根預(yù)應(yīng)力錨索時,巷道圍巖變形量較小,頂?shù)装逡平繛?7 mm,兩幫移近量為70 mm;方案二中在巷道斷面布置8根預(yù)應(yīng)力錨索時,經(jīng)計算得出頂?shù)装逡平吭黾又?6 mm,兩幫移近量增加至75 mm,頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟肯啾确桨敢环謩e增加了10.3%和7.1%,雖然頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟坑兴黾?但增加幅度較小,其變形符合支護(hù)設(shè)計要求,能夠保證巷道圍巖穩(wěn)定;而方案三中進(jìn)一步減少錨索數(shù)量,在巷道斷面布置7根預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固時,頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟棵黠@增加,頂?shù)装逡平吭黾又?42 mm,兩幫移近量增加至130 mm,頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟肯啾扔诜桨敢环謩e增加了63.2%和85.7%,頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形相對較大,由此可以得出,選擇方案二的預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固布置方式時,842風(fēng)巷外段圍巖的變形量符合支護(hù)設(shè)計的要求,相比于原支護(hù)方案提高巷道支護(hù)強(qiáng)度,控制圍巖變形,并且可有效減少錨索施工時間,從而提高掘進(jìn)速度。

圖7 不同支護(hù)方案下巷道圍巖變形量

4 842風(fēng)巷外段現(xiàn)場應(yīng)用

通過數(shù)值模擬計算結(jié)果所得出的支護(hù)方案為選用新型大孔徑中空注漿全錨錨索對巷道斷面進(jìn)行全長錨固,頂板錨索按“222”方式布置,新型大孔徑中空注漿全錨錨索規(guī)格為φ22/6200 mm(備用8.2 m、10 m),破斷力400 kN,索體中空結(jié)構(gòu),自帶注漿芯管,反向出漿,無需排氣即可全錨;錨索上部采用樹脂端錨,施加預(yù)應(yīng)力,安裝后可以及時承載;中空錨索芯管孔徑增大,孔徑截面積提高70%,可顯著降低稠漿流動阻力。錨索間排距為1 800 mm×700 mm,中頂及右側(cè)錨索配合錨盤使用;左側(cè)錨索配合鎖梁使用(1梁1索鎖2棚),間隔布置。現(xiàn)場備有8 200 mm、10 000 mm長錨索,根據(jù)煤厚變化情況及時調(diào)整,確保錨索生根于堅硬頂板深度<1.5 m。

幫部采用φ22/4100 mm的新型大孔徑中空注漿全錨錨索進(jìn)行支護(hù);間排距1 200 mm×700 mm;布置在距底板500 mm、1 500 mm各1道,錨索按“323”方式布置;距底板1 500 mm及肩窩錨索配合托盤使用;距底板500 mm錨索配合鎖梁使用,(1梁2索鎖4棚);鎖梁緊跟前探梁;每根錨索使用3卷樹脂錨固劑,巖體使用MSZ-2950型樹脂錨固劑、煤體使用MSZ-2550型樹脂錨固劑;預(yù)緊力巖體<100 kN(29 MPa)、煤體<60 kN(17.4 MPa)。注漿時選用ZBQ-8/7型礦用氣動注漿泵,注漿錨固材料選用MZM-70無機(jī)注漿錨固料,MZM-70無機(jī)注漿錨固料為高強(qiáng)注漿錨固料,克服了傳統(tǒng)注漿料黏性低、流動性大的缺點(diǎn)。842風(fēng)巷外段平頂U(kuò)型鋼棚支護(hù)及錨索加固支護(hù)布置如圖8所示。

圖8 842風(fēng)巷外段平頂U(kuò)型鋼棚+錨索加固支護(hù)示意圖

采用松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固后,在巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定時,頂?shù)装逡平考s為86 mm,兩幫移近量約為68 mm,支護(hù)效果顯著,巷道變形較小,變形速度得到了有效控制。同時,通過對巷道圍巖支護(hù)方式的調(diào)整,使得每2個斷面從原來的18根錨索減少至14根錨索,錨索用量減少22.2%,節(jié)省大量錨索施工時間,推進(jìn)了煤頂下極松軟易破碎巷道快速掘進(jìn)水平,為礦井安全高效生產(chǎn)提供了有力的保障。

5 結(jié)論

(1)針對松散煤體普通端錨錨索支護(hù)極易產(chǎn)生錨固端頻繁失效、端部剪切破斷等問題,使錨索材料性能難以充分發(fā)揮,支護(hù)強(qiáng)度不足,巷道存在嚴(yán)重安全隱患,巷道存在頻繁片幫冒頂、變形大的難題,提出了松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)。

(2)為了更好地實(shí)現(xiàn)理論研究與實(shí)際工程的有效對接,提出了一種較真實(shí)反映現(xiàn)場松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固技術(shù)的數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法,并通過模擬優(yōu)化得出了842風(fēng)巷外段最佳支護(hù)方案。

(3)通過現(xiàn)場實(shí)踐,842風(fēng)巷外段最佳松散煤體預(yù)應(yīng)力錨索全長錨固支護(hù)方案能夠使巷道圍巖變形控制在合理范圍內(nèi),支護(hù)區(qū)域內(nèi)圍巖整體穩(wěn)定,巷道支護(hù)效果顯著提高,同時大幅度提高了巷道掘進(jìn)效率,進(jìn)一步提高了我國極松軟易破碎厚煤層綜放面巷道掘進(jìn)水平。