仲建平，陳力慧，楊永康

（1.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦,山西河津 043300；2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，太原 030024）

動(dòng)壓巷道高預(yù)應(yīng)力桁架錨索加固支護(hù)技術(shù)研究

仲建平1，2，陳力慧1，2，楊永康2

（1.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦,山西河津 043300；2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，太原 030024）

王家?guī)X煤礦20102工作面回風(fēng)巷受相鄰20104工作面采動(dòng)影響，巷道頂板下沉，底板鼓起，兩幫鼓出，巷道變形較大，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。為了有效控制巷道變形，通過(guò)理論分析，數(shù)值模擬研究，采用了新型高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)手段；現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)提高了巷道圍巖強(qiáng)度，有效地控制了動(dòng)壓巷道變形。

動(dòng)壓巷道；桁架錨索；支護(hù)技術(shù)

1 工程概況

圖1 20102工作面平面示意圖

王家?guī)X煤礦20102工作面回風(fēng)巷北部為正在開(kāi)采的20104工作面，煤層平均厚度6.52 m，煤層普氏系數(shù)f=1.5，煤層傾角平均3°，埋深240 m～310 m，地面為田地溝谷。20104工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，采高3 m，相鄰工作面間的保護(hù)煤柱寬度19.4 m，工作面布置見(jiàn)圖1。20102工作面回風(fēng)巷為典型的動(dòng)壓巷道，高×寬為3 550 mm×5 200 mm，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，沿底板掘進(jìn)，屬于迎采動(dòng)掘進(jìn)。其中，20102回風(fēng)巷受20104工作面回采影響段，巷道頂板下沉，底板鼓起，兩幫片幫，部分地段頂板切頂，錨索拉斷，巷道變形嚴(yán)重，修復(fù)工程量大且給安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。為防止受采動(dòng)影響巷道變形損壞，提前對(duì)20102回風(fēng)巷進(jìn)行加固。

2 動(dòng)壓巷道變形機(jī)理分析

20102 工作面回風(fēng)巷為開(kāi)掘之前煤巖體處于彈性變形狀態(tài)，煤體垂直應(yīng)力為上覆巖層的重量，巷道開(kāi)掘后原巖應(yīng)力重新分布，巷道內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時(shí)若圍巖應(yīng)力小于煤層強(qiáng)度，圍巖處于彈性狀態(tài)，如果圍巖應(yīng)力大于煤層強(qiáng)度，巷道圍巖就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，從巷道的深部擴(kuò)展到一定范圍，此時(shí)巷道周?chē)统霈F(xiàn)塑性變形區(qū)，為彈塑性介質(zhì)，將巷道近視為圓形，巷道圍巖應(yīng)力分布見(jiàn)圖2[1-2]。

圖2 圍巖巷道應(yīng)力分布

20102 回風(fēng)巷支護(hù)后處于穩(wěn)定階段時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力也處于在極限平衡狀態(tài)，此時(shí)若受到20104工作面采動(dòng)影響，在采動(dòng)外力的影響下，20102回風(fēng)巷圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，從力學(xué)角度分析，集中應(yīng)力表現(xiàn)為較大的應(yīng)力偏張量，促使巷道圍巖沿著圍巖弱面破壞，即向破碎區(qū)域擴(kuò)展，將一部分彈性區(qū)域進(jìn)入塑性區(qū)，擴(kuò)大了塑性區(qū)的范圍，同時(shí)塑性區(qū)在集中應(yīng)力的作用下產(chǎn)生流動(dòng)擠壓力，迫使一些塑性區(qū)的圍巖進(jìn)入峰后狀態(tài)變成破碎區(qū)，使得破碎范圍擴(kuò)大，巷道表面位移變大，巷道損壞變形。此時(shí)破碎區(qū)域圍巖得不到有效支護(hù)，將進(jìn)一步惡化，擴(kuò)大塑性區(qū)、破碎區(qū)，巷道變形加重，巷道圍巖分區(qū)見(jiàn)圖3[3-5]。

圖3 巷道圍巖分區(qū)圖

巷道破碎區(qū)里的圍巖穩(wěn)定性差，支護(hù)體系的作用和受采動(dòng)影響的程度是決定破碎區(qū)圍巖能否長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。因此，增加20102回風(fēng)巷圍巖支護(hù)強(qiáng)度，提高巷道支護(hù)體系整體支護(hù)強(qiáng)度來(lái)抑制巷道破壞變形力，是控制巷道變形的關(guān)鍵所在。

3 新型高預(yù)應(yīng)力桁架錨索主動(dòng)支護(hù)機(jī)理

考慮20102回風(fēng)巷地質(zhì)條件，煤層脆，抗壓能力差，頂煤整體破碎，頂煤和直接頂已經(jīng)發(fā)生離層，難以形成整體結(jié)構(gòu)，需在水平和垂直方向同時(shí)提供主動(dòng)支護(hù)。高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)能在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時(shí)提供擠壓應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)[6-7]，它克服了單體錨索支護(hù)不能提供水平張緊力的缺陷，從而使得錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體處于多維擠壓狀態(tài)，高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)新結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絞線(xiàn)、專(zhuān)用桁架連接器和鎖具組成，見(jiàn)圖4。

圖4 新型桁架錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)原理圖

鋼絞線(xiàn)預(yù)拉力桁架是將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點(diǎn)和承載結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，采用高預(yù)拉力對(duì)拉并鎖緊兩根鋼絞線(xiàn)，直接作用于頂板淺部的圍巖，提供水平預(yù)應(yīng)力改善頂板的應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)化低位巖體的力學(xué)性能和提高其抗變形性能，控制層狀頂板的不協(xié)調(diào)變形。桁架錨索是一種能在巷道頂板的水平和鉛直方向同時(shí)提供擠壓應(yīng)力的主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而使得錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體處于鉛直擠壓和水平擠壓的雙向應(yīng)力狀態(tài)，桁架錨索系統(tǒng)預(yù)緊力引起的主動(dòng)支護(hù)力使巷道頂板產(chǎn)生向上的垂直位移趨勢(shì)，減小或抵消頂板的下沉和離層。在巷道頂板的彎曲和下沉變形過(guò)程中，錨索受到的拉應(yīng)力增加，錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體受到的擠壓力也隨之增加[8-9]。

4 加固支護(hù)方案

20102 回風(fēng)巷加固頂板采用φ20 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距900mm×900mm，采用兩根1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)φ17.8 mm×9 300 mm，桁架錨索系統(tǒng)底部跨度2 100mm，孔口幫距1 550m。桁架角度：錨索鉆孔與頂板垂線(xiàn)的夾角為15°，具體支護(hù)見(jiàn)圖5。

圖5 桁架錨索聯(lián)合加固支護(hù)方案

5 加固效果分析

5.1數(shù)值模擬分析

采空FLAC3D數(shù)值模擬加固支護(hù)效果見(jiàn)圖6，由圖可以看出，經(jīng)受側(cè)向高支承壓力及動(dòng)壓作用區(qū)巷道頂板的塑性區(qū)由中間向兩邊逐漸減小，巷道中部塑性區(qū)深度在3m左右，兩邊深度最小僅為0.3 m。巷道兩幫的塑性區(qū)分布比較均勻，深度在2m左右。巷道底板的塑性區(qū)深度為2m。巷道圍巖的剪切應(yīng)力最大為-5.1 MPa，在巷道四個(gè)幫角處出現(xiàn)應(yīng)力集中。在現(xiàn)有支護(hù)條件下，巷道垂直應(yīng)力在頂板的拉應(yīng)力區(qū)基本消失，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板，僅為0.2MPa。垂直應(yīng)力在距兩幫2.7 m左右產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大為-13.1MPa。頂板垂直位移在中部最大，為0.06m。巷道兩幫及底板的垂直位移較小，底鼓量為0.02 m。水平位移在巷道兩幫的中部最大，變形量為0.07m。綜上可知，巷道的塑性區(qū)、剪切應(yīng)力、垂直應(yīng)力、垂直位移、水平位移均在合理的范圍內(nèi)，控制效果良好，支護(hù)方案合理。

圖6 桁架錨索支護(hù)模擬圖

5.2巷道支護(hù)效果分析

對(duì)加固巷道進(jìn)行布點(diǎn)觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)平均變形量見(jiàn)圖7，由圖可以看出在20102工作面回采尚未被20104工作面采動(dòng)影響時(shí)，20102回風(fēng)巷道頂板下沉量和兩幫移近量都比較小，在40mm左右，而在隨著工作面的推進(jìn)測(cè)站逐漸進(jìn)入20104工作面支承壓力影響范圍，20102回風(fēng)巷頂板下沉量和兩幫移近量都劇烈增大，變形較大，達(dá)到160 mm左右，并且變形逐漸變緩，趨于穩(wěn)定?？梢?jiàn)，在20102回風(fēng)巷采用高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)可以有效控制巷道變形，保證動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定。

圖7 加固后巷道表面位移變化曲線(xiàn)圖

6 結(jié)論

1）王家?guī)X礦20102回風(fēng)巷受相鄰20104工作面采動(dòng)影響下，巷道變形嚴(yán)重。

2）增加20102回風(fēng)巷圍巖支護(hù)強(qiáng)度，提高巷道支護(hù)體系整體支護(hù)強(qiáng)度來(lái)抑制巷道破壞變形力，是控制巷道變形的關(guān)鍵所在。

3）桁架是拉緊的鋼絞線(xiàn)與頂板形成線(xiàn)接觸，作用范圍大，松散破碎頂板受力狀態(tài)好。

4）高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)能在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時(shí)提供擠壓應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)，桁架施加的水平預(yù)拉力可以改善頂板的應(yīng)力狀態(tài)，在巷道頂板內(nèi)產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱(chēng)彎矩，減小由于頂板彎曲而產(chǎn)生的拉應(yīng)力區(qū)，使其向壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這對(duì)改善頂板的穩(wěn)定性有著重要的作用。

5）通過(guò)數(shù)值模擬分析，加固后的巷道的塑性區(qū)、剪切應(yīng)力、垂直應(yīng)力、垂直位移、水平位移均在合理的范圍內(nèi)，控制效果良好；現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果顯示巷道表面位移得到有效控制，保證了巷道圍巖穩(wěn)定性。

[1]陳炎光，陸十良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[2]錢(qián)鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]張向陽(yáng).動(dòng)壓影響下大巷圍巖變形機(jī)理與卸壓控制研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2007.

[4]許巖.動(dòng)壓巷道圍巖破壞機(jī)理及其控制研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[5]馬元,靖洪文,陳玉樺.動(dòng)壓巷道圍巖破壞機(jī)理及支護(hù)的數(shù)值模擬.采礦與安全工程學(xué)報(bào)[J].2007(3):109-103.

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[8]康榮，何富連，李宏彬.桁架錨索在碎裂頂板巷道支護(hù)中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010(5):28-30，33.

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（編輯：薄小玲）

Reinforcement Technology of High Prestressed Truss Anchor in Dynam ic Pressure Roadway

ZHONG Jianping1,2，CHEN Lihui1,2，YANG Yongkang2
(1.Wangjialin Mine,China Coal Huajin Energy Co.,Ltd.,Hejin 043300,China; 2.Institute of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Affected by themining in the adjacent No.20104 working face,roof subsidence,floor heave,two sides swell,and large roadway deformation in the return airway of No.20102 working face in Wangjialing Mine,have seriously threatened the production safety in themine.To effectively control the deformation,a high prestressed truss anchor was adopted on the theoretical analysis and numerical simulation.The field industrial test showed that the high prestressed truss support could improve the strength of roadwaysurrounding rock and control the deformation of thedynamic pressure roadway.

dynamic pressure roadway;trussanchor;support technology

TD353

A

1672-5050（2016）06-013-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.004

2016-01-30

仲建平(1964-)，男，江蘇無(wú)錫人，碩士，工程師，從事煤炭開(kāi)采技術(shù)管理工作。