， ， ，志江，，，

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

深井高應(yīng)力巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

張斌川，盧輝，劉路，盧志江，保天才，李煒強(qiáng)，王福利

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

針對(duì)潘西礦7192回風(fēng)巷在原錨桿支護(hù)效果不理想的情況，通過(guò)數(shù)值模擬軟件FLAC 3.3 ，對(duì)不同支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)條件下的錨桿支護(hù)情況進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：相比原有的錨桿支護(hù)，強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)能更有效地控制巷道圍巖變形。通過(guò)對(duì)不同錨桿預(yù)緊力、錨桿排距、錨桿直徑、錨桿長(zhǎng)度的模擬支護(hù)效果分析，得到了優(yōu)化參數(shù)預(yù)緊力為15t、排距為800mm、 直徑為25mm、長(zhǎng)度為2.4m的螺紋鋼筋錨桿支護(hù)方案。同時(shí)，將優(yōu)化的支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明強(qiáng)力支護(hù)錨桿系統(tǒng)能更有效地控制巷道變形，明顯改善巷道圍巖支護(hù)效果。

高應(yīng)力巷道；錨桿支護(hù)； 數(shù)值模擬；參數(shù)優(yōu)化

深部巖體地質(zhì)力學(xué)特點(diǎn)決定了深部開(kāi)采與淺部開(kāi)采的明顯區(qū)別在于深部巖石所處的特殊環(huán)境，即“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境。同時(shí)，深部工程圍巖的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境較淺部發(fā)生了很大變化，從而使深部巷道圍巖表現(xiàn)出圍巖應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜性、圍巖的大變形和強(qiáng)流變性特性、動(dòng)力響應(yīng)的突變性、深部巖體的脆-延轉(zhuǎn)化和深部巖體開(kāi)挖巖溶突水的瞬時(shí)性等特性[1]。由于深部巖石力學(xué)行為具有明顯區(qū)別于淺部巖石力學(xué)的這些重要特征，再加上賦存環(huán)境的復(fù)雜性，致使深部開(kāi)采巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，易造成冒頂片幫，巷道支護(hù)困難。淺部的巷道支護(hù)技術(shù)無(wú)法滿足深部高地壓巷道支護(hù)要求，因此研究深部巷道圍巖支護(hù)具有重要的意義[2]。目前，高地壓巷道多采用二次支護(hù)理論，即巷道支護(hù)分2次進(jìn)行：一次支護(hù)在保持巷道穩(wěn)定的前提下，允許巷道有一定的變形以釋放壓力；隔一定時(shí)間后實(shí)施二次支護(hù)，保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。但是，有些深井巷道采用二次支護(hù)后仍出現(xiàn)變形破壞等問(wèn)題，甚至需要三次、四次支護(hù)，巷道周而復(fù)始地發(fā)生破壞，圍巖變形長(zhǎng)期得不到有效控制[3]。普通錨桿支護(hù)、高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)在巷道錨桿支護(hù)方面得到了一定的支護(hù)效果[3-8]，錨注支護(hù)、錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)等聯(lián)合支護(hù)在高地應(yīng)力、破碎圍巖巷道中得到了較廣泛的應(yīng)用[9-12],但由于深部地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力大，圍巖變形急劇增長(zhǎng)，造成現(xiàn)有的支護(hù)方式不合理或支護(hù)參數(shù)不匹配，難以有效地控制圍巖變形發(fā)展。因此，開(kāi)展深井高應(yīng)力巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究對(duì)于提高巷道支護(hù)效果、控制巷道圍巖變形發(fā)展具有重要的意義。

本文以潘西礦7192回風(fēng)巷為背景，在原錨桿支護(hù)效果不理想的情況下，研究強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)在潘西礦7192回風(fēng)巷的巷道支護(hù)效果，并對(duì)巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究，確定了優(yōu)化參數(shù)的支護(hù)方案。按照支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巷道支護(hù)效果進(jìn)行了分析。

1 工程概況

潘西礦7192回風(fēng)巷是新汶礦區(qū)的深部礦井，埋深975m，表1為巷道巖層分布及特征。巷道正常沿19號(hào)煤頂板掘進(jìn)，該區(qū)域內(nèi)煤層平均厚度2.64m，厚度穩(wěn)定，煤巖成分以半亮煤為主，硬度系數(shù)f=2～3，煤層傾角20～26°；直接頂為砂質(zhì)頁(yè)巖，性脆致密，水平層理發(fā)育，破碎易冒落，厚4.2m；直接底為砂質(zhì)頁(yè)巖，厚度1.2m。在該巷內(nèi)采用水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量方法進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明最大水平主應(yīng)力值為39.77MPa，方向?yàn)镹 39.7°E；最小水平主應(yīng)力值為20.64MPa，垂直主應(yīng)力為28.38MPa[13]。深部高地應(yīng)力造成巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的蠕變特征，產(chǎn)生強(qiáng)烈底鼓和圍巖大變形。巷道斷面形狀為梯形斷面，頂板主要采用錨桿支護(hù)，巷道凈寬3.2m，中高3.0m，斷面積為11.1m2，巷道支護(hù)現(xiàn)采用φ18mm×2000mm的全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿5根，間排距800mm×800mm。采用3.4m長(zhǎng)的W鋼帶；兩幫采用φ16mm×1800mm的全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，其中下幫錨桿3根，上幫錨桿5根，其間排距800mm×800mm，采用加長(zhǎng)錨固方式?，F(xiàn)有的支護(hù)方式不能有效控制圍巖變形，兩幫移近量496～558mm，頂?shù)装逡平?40～748mm。

表1 巷道巖層分布及特征

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立和計(jì)算參數(shù)

本次錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序FLAC 3.3得出合理的錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)。模擬范圍為長(zhǎng)×寬=80m×40m，網(wǎng)格為200×80。表2為巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)。采用應(yīng)力邊界條件，模型上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力，模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力，模型下表面位移固定[14]。

表2 巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

為真實(shí)反映巷道圍巖變形特征，特別是巖石屈服后的力學(xué)行為，又不致使計(jì)算速度過(guò)慢，采用2種力學(xué)模型模擬巖層。一種是應(yīng)變軟化模型，模擬靠近巷道的煤層。其他范圍內(nèi)的巖層采用摩爾—庫(kù)侖模型。采用界面單元模擬巖層層面。采用錨桿單元模擬錨桿，模型巖層分布見(jiàn)圖1[15-16]。

圖1 計(jì)算模型巖層分布

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖2為不同條件下(無(wú)支護(hù)、原錨桿支護(hù)和強(qiáng)力錨桿支護(hù))的巷道圍巖位移和破壞狀況。原錨桿支護(hù)巷道圍巖位移和破壞狀況如圖2(a) 所示，由于深部開(kāi)采高地應(yīng)力的影響，無(wú)支護(hù)條件下的巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖變形大，巷道嚴(yán)重收縮變形。巷道圍巖出現(xiàn)大范圍破壞，如不進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，將會(huì)造成大面積片幫和冒頂。原錨桿支護(hù)巷道圍巖位移和破壞狀況如圖2(b) 所示。巷道底板和兩幫圍巖仍存在較大的破壞區(qū)，但破壞范圍相比無(wú)支護(hù)條件下已有所減小，但圍巖變形量減小幅度不大，巷道圍巖變形比較嚴(yán)重。強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)下巷道圍巖位移和破壞狀況如圖2(c) 所示。從圖中可以看出，采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，巷道圍巖變形和破壞得到有效地控制。圍巖破壞區(qū)域明顯減小，僅分布在巷道表面。

圖2 巷道圍巖位移分布和破壞狀況

2.3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

由以上分析可知強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)能較好地控制深井巷道圍巖變形，然而，不同的支護(hù)參數(shù)(錨桿預(yù)緊力、錨桿排距、錨桿直徑、錨桿長(zhǎng)度)條件下錨桿支護(hù)效果相差很大。因此，為優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)，改善支護(hù)效果，通過(guò)FLAC 3.3 對(duì)不同支護(hù)參數(shù)條件下巷道支護(hù)進(jìn)行模擬。

2.3.1錨桿預(yù)緊力對(duì)巷道支護(hù)效果的影響

表3為不同錨桿預(yù)緊力情況下巷道圍巖移近量。分別模擬了錨桿預(yù)緊力為0t，2t，4t，6t，8t，10t，15t等7種情況，在表3中可以看出，隨著預(yù)緊力的增加，巷道頂?shù)缀蛢蓭鸵平繙p小。但是巷道表面變形量在預(yù)緊力10t以下時(shí)減小不明顯，預(yù)緊力在10t以后，巷道表面變形量大幅度減小。這說(shuō)明保持較大的預(yù)緊力有助于維護(hù)巷道圍巖的整體性，使巷道圍巖整體變形，保持圍巖穩(wěn)定性。

表3 不同錨桿預(yù)緊力情況下巷道圍巖移近量

2.3.2 錨桿排距對(duì)支護(hù)效果的影響

表4為不同錨桿排距下巷道圍巖移近量。從表中看出，隨著錨桿排距的加大，從600mm到800mm，圍巖移近量不斷減小，而從800mm到1000mm，圍巖移進(jìn)量又不斷加大。因此，選擇800mm的錨桿排距比較合理。

表4 不同錨桿排距情況下圍巖移近量

2.3.3 錨桿直徑對(duì)支護(hù)效果的影響

表5為不同錨桿直徑下圍巖的變形量。從表中可以看出，隨著錨桿直徑加大，巷道圍巖位移量逐漸減小。尤其當(dāng)錨桿從直徑22mm增加到25mm時(shí)，巷道圍巖變形量明顯減小。因此，可以認(rèn)為φ25mm是比較合理的錨桿直徑。

表5 不同錨桿直徑下圍巖的變形量

2.3.4 錨桿長(zhǎng)度對(duì)支護(hù)效果的影響

表6為不同錨桿長(zhǎng)度下圍巖的變形量。從表中可以看出，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，巷道的變形量不斷減小。尤其是錨桿長(zhǎng)度從2200mm增加到2400mm時(shí)，巷道變形量降低非常明顯。因此，可認(rèn)為2400mm是比較合理的錨桿長(zhǎng)度。

表6 不同錨桿長(zhǎng)度下圍巖的變形量

3 支護(hù)方案及工程實(shí)踐

3.1 支護(hù)方案

通過(guò)對(duì)潘西礦7192回風(fēng)巷錨桿支護(hù)的數(shù)值模擬分析，確定了潘西礦7192回風(fēng)巷的支護(hù)方案。巷道采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)。錨桿選用預(yù)緊力為15t，直徑為25mm，長(zhǎng)度為2.4m的左旋無(wú)縱筋錨桿專用螺紋鋼筋錨桿，間排距為800mm × 800mm，每排13根錨桿。錨固方式為樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用2支錨固劑，1支為K2835，1支為Z2860。采用W鋼帶進(jìn)行護(hù)頂護(hù)幫，鋼帶規(guī)格為厚度5mm，寬280mm，長(zhǎng)度3.4m和1.8m。錨桿配件采用高強(qiáng)錨桿螺母M27×3，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托盤(pán)采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，承載能力不低于40t。網(wǎng)片規(guī)格采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格分別為4.1m×0.9m，3.4m×0.9m和1.8m×0.9m，網(wǎng)孔為50mm×50mm。

3.2 工程實(shí)踐

按照設(shè)計(jì)的支護(hù)方案對(duì)潘西礦7192回風(fēng)巷安裝強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，并對(duì)其巷道表面位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，共監(jiān)測(cè)了3個(gè)月。在巷道采用原錨桿支護(hù)條件下，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?48mm，兩幫最大位移量為558mm；采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)后，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?04mm，兩幫最大位移量為463mm。對(duì)比來(lái)看，采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)后巷道頂?shù)装逦灰屏肯陆盗?2.6% ，兩幫位移量下降了28.3%。這說(shuō)明強(qiáng)力錨桿系統(tǒng)更有效地控制了巷道圍巖的變形，維持巷道圍巖穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)在深部高應(yīng)力條件下，原有的錨桿支護(hù)已不能滿足安全生產(chǎn)的需求。通過(guò)FLAC3.3數(shù)值模擬分析，相比原有的錨桿支護(hù)，強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)能更有效地控制巷道圍巖變形，一方面能充分利用圍巖的自承能力，另一方面在控制巷道圍巖變形和離層方面具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬軟件FLAC3.3 ，對(duì)不同支護(hù)參數(shù)條件下錨桿支護(hù)的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了優(yōu)化參數(shù)為預(yù)緊力15t，直徑25mm，長(zhǎng)度2.4m的螺紋鋼筋錨桿支護(hù)方案。

(3)將優(yōu)化的支護(hù)方案在潘西礦7192回風(fēng)巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)3個(gè)月后的巷道表面變形情況，結(jié)果表明：采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)后，相比原巷道錨桿支護(hù)結(jié)果，巷道頂?shù)装逦灰屏肯陆盗?2.6% ，兩幫位移量下降了28.3% 。這說(shuō)明強(qiáng)力錨桿系統(tǒng)能更有效地控制巷道圍巖變形，改善巷道支護(hù)效果。

[1]何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開(kāi)采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(16).

[2]康紅普.煤礦深部巷道錨桿支護(hù)理論與技術(shù)研究新進(jìn)展[J].煤礦支護(hù)，2007 (2)：1-8.

[3]康紅普，王金華，林 健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(12).

[4]張 農(nóng)， 高明仕.煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(5)：524-527.

[5]王金華.我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(2)：113-118.

[6]康紅普，王金華，林 健.煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(4)：649- 664.

[7]徐成亮.深部高應(yīng)力巷道錨桿支護(hù)技術(shù)初探[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34(7)：76-78.

[8]劉泉聲，張 華，林 濤.煤礦深部巖巷圍巖穩(wěn)定與支護(hù)對(duì)策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(21).

[9]王連國(guó)， 李明遠(yuǎn)，王學(xué)知.深部高應(yīng)力極軟巖巷道錨注支護(hù)技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(16).

[10]方新秋，何 杰，何加省.深部高應(yīng)力軟巖動(dòng)壓巷道加固技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2009，30(6)：1693-1698.

[11]孫曉明，何滿潮，楊曉杰.深部軟巖巷道錨網(wǎng)索耦合支護(hù)非線性設(shè)計(jì)方法研究[J].巖土力學(xué)，2006，27(7).

[12]牛雙建，靖洪文，張忠宇，等.深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)研究及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(6)： 914-919.

[13]林 健，趙英利，吳擁政，等.松軟破碎煤體小煤柱護(hù)巷高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)研究與應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采，2007，12(3)：47-50.

[14]周 翔.大傾角煤層小煤柱巷道錨桿支護(hù)數(shù)值模擬研究[J].煤礦開(kāi)采，2009，14(4)：60-61，4.

[15]康紅普.煤巷錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法及應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采，2002，7(1)：5-8.

[16]李保林.應(yīng)用錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法加固運(yùn)輸大巷[J].煤，2004(2).

[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Optimization of Anchored Bolt Supporting Parameter for Roadway with High Stress in Deep Mine

ZHANG Bin-chuan，LU Hui，LIU Lu，LU Zhi-jiang，BAO Tian-cai，LI Wei-qiang，WANG Fu-li

(Resources & Safety Engineering School, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

In order to improve supporting effect of 7192 air-roadway in Panxi Colliery, different anchored bolt supporting manners and parameters were numerically simulated with FLAC3.3. Results showed that powerful anchored-bolt supporting system could effectively control deformation of surrounding rock, compared with primary anchored-bolt supporting. Optimized parameters including 15t pre-tension force, 800mm row spacing, 25mm diameter and 2.4m length were obtained by analyzing supporting effect of different pre-tension forces, row spacings, diameters and lengths of anchored-bolt.On-the-spot test of optimized supporting projection showed that powerful anchored-bolt supporting system distinctly improved supporting effect.

roadway with high stress; anchored-bolt supporting; numerical simulation; parameter optimization

2014-10-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.031

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目：深部硬巖巖爆發(fā)生機(jī)理及協(xié)同預(yù)警關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別研究(51374217)

張斌川(1972-)，男，四川巴中人，副研究員，西藏自治區(qū)安監(jiān)局副局長(zhǎng)兼總工程師，從事巷道支護(hù)、能源與安全政策及安全科技研究與管理工作。

張斌川，盧 輝，劉 路，等.深井高應(yīng)力巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(6)：116-119.

TD353

A

1006-6225(2014)06-0116-04