王子越，褚曉威

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

潞安新疆煤化工集團(tuán)二礦W4205工作面為下山采區(qū)西翼第5個(gè)回采工作面，東鄰軌道及膠帶下山，西部為F2逆斷層，北部為W4204采空區(qū)，南部為未采實(shí)體煤區(qū)段。埋深316.1～350.3m，采4號(hào)煤層，平均厚度7.6m。W4205運(yùn)輸巷布置在未采區(qū)域，為4.2m×3.1m的實(shí)體煤矩形巷道，沿4號(hào)煤層底板掘進(jìn)。

巷道原有支護(hù)為錨桿索聯(lián)合支護(hù)，由于煤體松散破碎且受較強(qiáng)沖擊載荷影響，且施工隊(duì)伍對(duì)錨桿支護(hù)的認(rèn)識(shí)和施工熟練程度以及支護(hù)參數(shù)等方面的問(wèn)題，巷道支護(hù)效果差，頂板下沉、兩幫內(nèi)移量大，圍巖碎脹嚴(yán)重，出現(xiàn)多處“網(wǎng)兜”，嚴(yán)重影響了巷道有效斷面。為保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，在巷道圍巖出現(xiàn)較大且持續(xù)變形的地段采用U型鋼進(jìn)行二次架棚被動(dòng)支護(hù)，支護(hù)成本和工程量大幅度增加。為了提高支護(hù)質(zhì)量和速度，節(jié)約支護(hù)成本，本文在地質(zhì)力學(xué)參數(shù)分析、理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度、高剛度［1－3］的支護(hù)技術(shù)研究。

1 巷道圍巖變形機(jī)理分析

1.1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)分析

地質(zhì)力學(xué)參數(shù)是分析圍巖變形機(jī)理，確定巷道支護(hù)方案的基礎(chǔ)。為了全面掌握W4205運(yùn)輸巷地質(zhì)力學(xué)特征，對(duì)其地應(yīng)力、煤巖體強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試。鉆孔窺視結(jié)果表明，W4205運(yùn)輸巷頂部0～4.5m范圍內(nèi)為煤體，4.5m往上以泥巖、砂巖、砂礫巖為主，在1.9～2.3m，2.7～3m，4.5～4.8m范圍內(nèi)有明顯環(huán)向裂隙，圍巖完整性較差。W4205巷道頂板局部段圍巖鉆孔窺視結(jié)果見(jiàn)圖1。

W4205巷道煤巖體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，頂板巖層平均抗壓強(qiáng)度為72MPa，巷幫10m范圍內(nèi)圍巖強(qiáng)度原位測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2，煤體抗壓強(qiáng)度平均值為19.13MPa。

圖2 巷幫10m范圍內(nèi)圍巖強(qiáng)度原位測(cè)試結(jié)果

地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果為 σH=9.50MPa，σh= 5.17MPa，σv=9.23MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹48.4°W。從量值上劃分屬于中等偏低應(yīng)力值。

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，巷道在掘進(jìn)至877.1m位置時(shí)，將揭露落差約為4.0m的DF63正斷層，在開(kāi)切眼區(qū)域，會(huì)進(jìn)入F2逆斷層下盤(pán)的影響范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)煤體會(huì)較破碎。

經(jīng)相關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)定，4號(hào)煤層煤樣抗壓強(qiáng)度、沖擊能量指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間顯示煤樣為弱沖擊傾向性，彈性能量指數(shù)顯示煤樣為強(qiáng)沖擊傾向性，綜合判定4號(hào)煤層具有弱沖擊傾向性。根據(jù)4號(hào)煤層頂板巖樣測(cè)定結(jié)果判定頂板為弱沖擊傾向性。

總體而言，W4205巷道圍巖強(qiáng)度較高，地應(yīng)力水平強(qiáng)度中等偏低，但圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，煤質(zhì)較脆且極易風(fēng)化，巷道開(kāi)挖后，煤體變的極其破碎。在掘進(jìn)機(jī)割煤過(guò)程中，自迎頭往后3排范圍內(nèi)，“煤炮”不斷，巷道受較強(qiáng)沖擊載荷影響。

1.2 巷道圍巖破壞機(jī)理分析

W4205運(yùn)輸巷為典型的松散破碎全煤巷道。巷道埋深較淺，受地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力影響較小，巷道壓力主要來(lái)源于煤體的碎脹變形壓力［4－5］。4號(hào)煤體強(qiáng)度較高，平均值為19.13MPa，但煤質(zhì)較脆且層理、節(jié)理裂隙發(fā)育，極易風(fēng)化。巷道開(kāi)掘后，圍巖處于卸壓狀態(tài)，再加上風(fēng)化作用的影響，圍巖變得極其破碎。沖擊載荷形成沖擊波對(duì)表面圍巖的拉伸作用進(jìn)一步加劇了圍巖的破碎。

在掘進(jìn)過(guò)程中，由于圍巖松軟破碎，頂板冒落、兩幫片幫嚴(yán)重，巷道超寬超高，個(gè)別地段超高達(dá)到2m，巷道成形差，煤壁凹凸不平。鉆孔過(guò)程中，鉆孔開(kāi)口端煤塊震動(dòng)破碎，以至錨桿托盤(pán)安裝后無(wú)法與煤壁貼緊，預(yù)應(yīng)力無(wú)法有效施加。

支護(hù)完成后，在沖擊載荷作用下，破碎區(qū)不斷發(fā)展，當(dāng)破碎區(qū)擴(kuò)展到錨桿托盤(pán)部位時(shí)，托盤(pán)后煤體破碎，錨桿卸壓。更為嚴(yán)重的是煤體破碎掉落，致使托盤(pán)后空，錨桿預(yù)緊力完全喪失［6］，失去對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)作用。

綜合以上分析，沖擊載荷影響松散破碎全煤巷道支護(hù)的關(guān)鍵在于以下3個(gè)方面:

(1)采取高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度、高剛度支護(hù)，一次支護(hù)到位，及時(shí)給圍巖提供足夠支護(hù)抗力，控制圍巖破碎進(jìn)一步發(fā)展。

(2)擴(kuò)大支護(hù)護(hù)表面積，對(duì)巷道表面提供足夠的支護(hù)抗力，防止錨桿托盤(pán)后煤體壓碎甚至后空造成的預(yù)應(yīng)力損失。

(3)采取適當(dāng)?shù)穆?lián)合支護(hù)方式，提高支護(hù)整體性，以加強(qiáng)對(duì)沖擊載荷的承受能力。

2 支護(hù)方案

2.1 W鋼護(hù)板作用分析

W鋼護(hù)板是一種新型錨桿支護(hù)組合構(gòu)件形式，在W鋼帶的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。與W鋼帶相比，其長(zhǎng)度較小，安裝方便，并且增加了橫向的2條凹槽，提高了W鋼護(hù)板橫向的彎矩。

W鋼護(hù)板的支護(hù)作用主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面［7－8］:

(1)擴(kuò)散錨桿預(yù)應(yīng)力和工作阻力影響區(qū)域與托盤(pán)相比，W鋼護(hù)板面積較大，可以擴(kuò)大錨桿作用范圍，使錨桿預(yù)應(yīng)力和工作阻力有效擴(kuò)散到錨桿間圍巖中。

(2)支護(hù)巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用W鋼護(hù)板護(hù)表面積大、抗拉強(qiáng)度高、抗彎剛度大，能有效支護(hù)巷道表面巖層并對(duì)錨桿間的圍巖提供壓應(yīng)力，抑制淺部巖層離層、裂隙張開(kāi)，保持圍巖完整性;抑制錨桿間巖層彎曲下沉，減小巖層彎曲引起拉伸破壞;對(duì)巷道表面圍巖施加有效壓應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

(3)減少錨桿預(yù)應(yīng)力損失 托盤(pán)不與煤壁接觸，避免了托盤(pán)對(duì)煤壁的切割。W鋼護(hù)板護(hù)表面積大，對(duì)于破碎圍巖，可以防止松動(dòng)巖塊掉落，保持錨桿尾部圍巖的完整性，避免錨桿托盤(pán)后空現(xiàn)象;可以降低錨桿尾部附近的應(yīng)力集中，減少圍巖蠕變，降低預(yù)應(yīng)力損失。

結(jié)合受沖擊載荷影響松散破碎全煤巷道圍巖破壞機(jī)理和W鋼護(hù)板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用W鋼護(hù)板作為支護(hù)方案的組合構(gòu)件。

2.2 方案數(shù)值模擬

基于W4205運(yùn)輸巷地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，采用有限差分軟件FLAC3D，遵循高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度、高剛度支護(hù)原則，建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)W4205運(yùn)輸巷正巷進(jìn)行了5個(gè)方案的模擬計(jì)算，分別為:

方案一:頂板錨桿間距800，兩幫錨桿800;錨桿排距800，錨索排距2000。

方案二:頂板錨桿間距900，兩幫錨桿900;錨桿排距900，錨索排距2000。

方案三:頂板錨桿間距900，兩幫錨桿1100;錨桿排距1000，錨索排距2000。

方案四:頂板錨桿間距1100，兩幫錨桿1100;錨桿排距1000，錨索排距2000。

方案五:無(wú)支護(hù)。

本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)侖模型，錨桿采用FLAC3D中內(nèi)置的cable單元進(jìn)行模擬，模型的邊界條件如圖3:模型底端z向位移為零，左右邊界x向位移為零，前后邊界y向位移為零。

圖3 模型邊界條件

模型中圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，當(dāng)錨桿間排距較小時(shí)，控制變形有一定的效果，間排距變大時(shí)，變形隨之變大;但錨桿間排距過(guò)小會(huì)導(dǎo)致支護(hù)成本增加、掘進(jìn)速度變慢，因此應(yīng)取合理的支護(hù)密度，使得支護(hù)經(jīng)濟(jì)合理，而變形量又在可控范圍內(nèi)。結(jié)合表2中變形量數(shù)據(jù)，選擇方案三作為最佳方案。圖4為方案三的模擬結(jié)果。

表2 各方案位移量比較

圖4 最優(yōu)支護(hù)方案模擬

2.3 巷道支護(hù)方案

支護(hù)方案見(jiàn)圖5，支護(hù)參數(shù)如下:

(1)錨桿 頂板錨桿為高強(qiáng)度左旋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度為2.4m，直徑20mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊扭矩應(yīng)達(dá)到300N·m，但禁止超過(guò)450N·m。兩幫錨桿為圓鋼錨桿，長(zhǎng)度為2m，直徑20mm，樹(shù)脂端部錨固，預(yù)緊力矩應(yīng)達(dá)到200N·m，但禁止超過(guò)350 N·m。錨桿垂直煤壁打設(shè)。

(2)錨索 錨索材料為φ18.9mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度6300mm，鉆孔直徑28mm，采用1支MSK2335，2支MSZ2360樹(shù)脂錨固劑錨固，錨固長(zhǎng)度為1920mm，錨索初次張拉達(dá)到250kN。

(3)網(wǎng)片 采用金屬網(wǎng)護(hù)頂護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格4600mm×1100mm，網(wǎng)片搭接100mm，雙邊逐孔聯(lián)接。

(4)W鋼護(hù)板 寬280mm，厚4mm，長(zhǎng)度為450mm，中間孔規(guī)格為φ40mm，抗拉強(qiáng)度不低于375MPa。

圖5 錨桿支護(hù)布置

3 礦壓監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

W鋼護(hù)板組合錨桿索支護(hù)方案實(shí)施于井下后，對(duì)巷道表面位移、錨桿受力和錨索受力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖6，圖7。巷道頂板下沉量15mm，兩幫移近34mm，巷道總體變形量不大。

圖6 錨桿受力監(jiān)測(cè)

圖7 錨索受力監(jiān)測(cè)

錨桿最大受力達(dá)到70kN，在距迎頭50m后受力穩(wěn)定，錨索在距迎頭10m的范圍內(nèi)受力急劇增加，隨后一直穩(wěn)定在220kN左右。錨桿受力在距迎頭較近的范圍有較大上升后一直保持恒定，沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)緊力損失情況，說(shuō)明W鋼護(hù)板后煤體保持完整且蠕變較小。

在采取了W鋼護(hù)板組合錨桿索支護(hù)后，巷道圍巖完整、穩(wěn)定，強(qiáng)烈變形得到有效控制，支護(hù)質(zhì)量大幅提升，說(shuō)明高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)適用于沖擊載荷影響松軟破碎實(shí)體煤巷道的支護(hù)。

4 結(jié)論

(1)沖擊載荷影響松散破碎軟巖巷道支護(hù)關(guān)鍵在于及時(shí)強(qiáng)力支護(hù)，一次支護(hù)到位;選擇合適組合構(gòu)件，擴(kuò)大護(hù)表面積，避免錨桿尾部煤體壓碎蠕變，防止預(yù)應(yīng)力損失;加強(qiáng)支護(hù)整體性，提高對(duì)沖擊載荷的承受能力。

(2)W鋼護(hù)板強(qiáng)度高，抗彎抗拉能力強(qiáng)，與煤壁接觸面積大，適用于松散破碎全煤巷道的支護(hù)。

(3)以W鋼護(hù)板為組合構(gòu)件的錨桿索聯(lián)合支護(hù)方案實(shí)施于井下后，巷道一次支護(hù)到位，巷道圍巖變形得到有效控制，取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

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