代生福楊志兵孟憲志姜鵬飛潘 楊（.同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司,山西省朔州市,036009; 2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),0003; 3.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院,北京市朝陽區(qū),0003）

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二次采動巷道錨桿（索）支護效應(yīng)分析?

代生福1楊志兵1孟憲志2,3姜鵬飛2,3潘 楊1
（1.同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司,山西省朔州市,036009; 2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),100013; 3.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院,北京市朝陽區(qū),100013）

摘要采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法分析了14103麻家梁煤礦輔運副巷在經(jīng)歷二次采動應(yīng)力的影響下,巷道錨桿（索）的支護效應(yīng)。數(shù)值模擬分析14103輔運副巷采用高預(yù)應(yīng)力支護可有效改善巷道支護應(yīng)力場;現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)錨桿、錨索桿體應(yīng)力受14102工作面回采影響先急劇增加后趨于穩(wěn)定,再經(jīng)歷14103工作面回采影響雖部分桿體應(yīng)力有所下降,但仍能保持有效支護作用;14103輔運副巷淺部錨桿索支護范圍內(nèi)的3 m處圍巖始終保持較強的承載能力,較深部5 m處圍巖已進入塑性區(qū),深部8 m和10 m圍巖始終具有較強的承載能力。輔運副巷經(jīng)歷二次采動影響后,頂?shù)装逡平繛?90 mm,兩幫移近量為280 mm。

關(guān)鍵詞采動應(yīng)力 巷道支護 錨桿索支護 預(yù)緊力 巷道圍巖應(yīng)力 數(shù)值模擬

為了研究錨桿錨索對二次動壓留巷的支護效果,本文以大同麻家梁煤礦14102工作面和14103工作面回采期間對14103輔運副巷的動壓影響為基礎(chǔ),研究高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索對巷道圍巖的支護效應(yīng)。

1　生產(chǎn)地質(zhì)條件

麻家梁煤礦產(chǎn)量1200萬t/a,目前主要開采4＃煤層,4＃煤層埋深約600 m。14102工作面和14103工作面屬于麻家梁煤礦一采區(qū),煤層厚度約10 m,開采方式為綜放開采。由于老頂強度高、厚度大,在工作面回采期間,臨空巷道變形十分嚴重。尤其是受相鄰工作面回采的滯后采動應(yīng)力影響,巷道發(fā)生強烈變形,兩幫移近量超過1.5 m,底鼓量超過2 m,需要進行大量的維修,部分巷道由于維修量太大而被迫廢棄。

14102和14103綜放工作面采高3.5 m,放煤高度6.5 m,14102膠運巷距離14103輔運巷的距離為20 m,但由于14103輔運巷掘進期間變形較大,已被廢棄,在距離該巷道40 m位置又重新掘進了14103輔運副巷。14103輔運副巷即受14102工作面回采影響,又受14103工作面回采的影響。巷道及工作面布置見圖1所示。

圖1　巷道及回采工作面布置

麻家梁煤礦14103工作面附近4＃煤層頂?shù)装逋暾暂^好,其頂板以砂質(zhì)泥巖、細砂巖和中粒砂巖為主,厚層狀,膠結(jié)致密;底板以細砂巖、粉砂巖和碳質(zhì)泥巖為主。通過地質(zhì)力學測試,煤層強度平均為17.62 MPa,最大水平主應(yīng)力為26.26 MPa;垂直應(yīng)力為15.80 MPa。

2　數(shù)值模擬分析

2.1數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬中錨桿、錨索采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬,錨桿彈性模量為200 GPa,屈服強度500 MPa,抗拉強度700 MPa,長度為2.4 m,直徑為22 mm;錨索彈性模量為195 GPa,長度為8.3 m,直徑為22 mm,破斷力為600 k N。煤巖體采用Mohr-Coulomb（莫爾－庫倫）本構(gòu)模型,根據(jù)實驗室測試結(jié)果,煤巖層物理力學參數(shù)見表1。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,建立麻家梁煤礦14103輔運副巷的數(shù)值計算模型。模型初始應(yīng)力按照現(xiàn)場實測結(jié)果施加,位移邊界條件為四周采用簡支,下表面固支,上表面為自由面。

表1　模型中煤巖層物理力學參數(shù)

2.2數(shù)值模擬分析

在相同支護密度前提下,模擬不同支護參數(shù)對支護應(yīng)力場中圍巖應(yīng)力分布特征的影響。從而分析支護應(yīng)力場與圍巖應(yīng)力場之間的相互作用關(guān)系,并確定麻家梁煤礦14103輔運副巷合理的支護參數(shù)。

模擬錨桿施加20 k N、40 k N、80 k N后的預(yù)緊力形成的應(yīng)力場分布,在此,將錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中形成的應(yīng)力場稱為錨桿在圍巖中產(chǎn)生的支護應(yīng)力場。不同錨桿預(yù)緊力條件下錨桿在圍巖中產(chǎn)生的支護應(yīng)力場分布模擬結(jié)果見圖2。

圖2　不同錨桿預(yù)緊力在圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)力場分布

預(yù)緊力為20 k N時,頂板和兩幫錨桿預(yù)應(yīng)力都未能擴散到錨桿整個長度范圍,頂部錨桿僅在錨桿錨固段附近和錨桿尾部0.5 m范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力擴散較為良好,且?guī)r體內(nèi)部壓應(yīng)力值較低。當預(yù)緊力為20 k N時,巷道圍巖最大壓應(yīng)力為0.14 MPa,頂板兩根錨桿之間煤巖體內(nèi)壓應(yīng)力值僅為0.08 MPa;當預(yù)緊力為40 k N時,巷道圍巖最大壓應(yīng)力為0.24 MPa;當錨桿預(yù)緊力增大到80 k N時,巷道圍巖最大壓應(yīng)力為0.37 MPa,壓應(yīng)力擴散范圍在長度方向為錨桿整個長度范圍內(nèi),寬度隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加而增大,頂板兩根錨桿之間煤巖體內(nèi)壓應(yīng)力值增加到0.25 MPa。

因此,隨著錨桿預(yù)緊力增大,圍巖內(nèi)壓應(yīng)力范圍和強度不斷增大,明顯改善了圍巖的受力狀態(tài),形成了良好的支護應(yīng)力場,能夠提高巷道抗擾動能力,更好地保持巷道圍巖的完整性。

3　二次采動影響下巷道支護效應(yīng)分析

3.1留巷支護方案

為了很好地控制巷道變形和優(yōu)化巷道支護應(yīng)力場,根據(jù)高強度一次支護的原則,提出合理的支護設(shè)計,確定14103輔運副巷支護方案如圖3所示。

圖3　14103輔運副巷支護設(shè)計

巷道采用錨桿索聯(lián)合支護,錨桿采用?22 mm ×2400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,錨桿強度為500 MPa。錨桿配合150 mm×150 mm×10 mm拱形托盤和W鋼帶支護頂板及幫部;頂板采用鋼筋網(wǎng)護頂,兩幫采用菱形金屬網(wǎng)。頂錨桿間排距940 mm×800 mm,一排6根錨桿;幫錨桿間排距1000 mm×800 mm,一排5根錨桿;錨桿扭矩不低于400N·m。

頂錨索采用?22 mm×7300 mm、1×19結(jié)構(gòu)的鋼絞線錨索,錨索托盤尺寸為300 mm×300 mm×16 mm;間排距為1800 mm×1600 mm,每排布置3根錨索;幫錨索規(guī)格為?22 mm×5300 mm,間排距1000 mm×800 mm,煤柱側(cè)幫每排布置3根錨索,工作面?zhèn)让颗挪贾?根錨索,設(shè)計錨索預(yù)緊力為250 k N。

3.2支護體受力監(jiān)測及分析

為了全面監(jiān)測14103輔運副巷的支護應(yīng)力場, 在14103輔運副巷內(nèi)安裝錨桿錨索測力計和鉆孔應(yīng)力計。監(jiān)測14102工作面回采和14103工作面回采期間錨桿索（支護體）應(yīng)力狀態(tài)和巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

錨桿索測力計分別安裝在巷道頂板及兩幫,頂板安裝2個錨桿測力計和2個錨索測力計;幫部各安裝2個錨桿測力計和1個錨索測力計。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。

圖4　錨桿受力變化

圖5　錨索受力變化

圖4和圖5中,2014年9月－12月為相鄰14102工作面回采期間側(cè)向支承壓力一次采動影響階段,2015年3月－6月是14103工作面回采期間超前支承壓力二次采動影響階段。

由于14102工作面采動,14103輔運副巷頂板和靠近煤柱側(cè)幫錨桿、錨索受力顯著增加,頂板錨桿最大承載達到200 k N,煤柱側(cè)錨桿受力由50 k N增大到170 k N;頂板錨索受力達到230 k N,煤柱側(cè)幫錨索受力達到210 k N。而靠近14103工作面?zhèn)儒^桿受力較小,且隨著14102工作面的回采變化不大,這說明相鄰工作面回采產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力主要對頂板和煤柱側(cè)巷幫的受力、變形及破壞產(chǎn)生影響,錨桿錨索受力表現(xiàn)出逐步增大的特征,同時可以看出預(yù)應(yīng)力越高的錨桿在受到工作面回采影響后受力越穩(wěn)定。

2015年1月－3月,這段時間為14102工作面回采后、14103工作面回采前的穩(wěn)定階段,錨桿錨索不受采動影響,總體來看,錨桿錨索存在少量增加的現(xiàn)象,這說明錨桿錨索在長期承載過程中發(fā)生了蠕變。

14103工作面回采期間超前支承壓力二次采動影響期間,頂板和煤柱側(cè)幫錨桿受力呈現(xiàn)鋸齒狀變化,說明工作面超前支承壓力作用后,14103輔運副巷頂部煤體和煤柱側(cè)幫煤體內(nèi)部出現(xiàn)了微裂隙的產(chǎn)生和擴展,部分煤體出現(xiàn)了擴容破壞,錨桿在受到動壓影響后循環(huán)出現(xiàn)加載—破壞—卸載—再加載的過程,因而變現(xiàn)出鋸齒狀受力特征。靠近工作面?zhèn)葞兔后w相比煤柱側(cè)更為完整,受超前支承壓力影響后其受力出現(xiàn)了持續(xù)增大的過程。從錨索受力來看,14103工作面回采期間,錨索受力總體較為平穩(wěn),但到2015年6月個別錨索受力下降,這是由于受二次強烈采動影響后,錨索錨固位置破壞而導(dǎo)致的個別錨索失效,但總體錨索仍具有較好的支護作用。

3.3煤柱采動應(yīng)力分析

采用鉆孔應(yīng)力進行采動應(yīng)力分析,鉆孔應(yīng)力計安裝在煤柱側(cè)幫部,鉆孔深度分別為3 m、5 m、8 m和10 m。深度為3 m的鉆孔應(yīng)力計主要是監(jiān)測錨桿索聯(lián)合支護體內(nèi)圍巖的應(yīng)力變化;其他孔深監(jiān)測支護范圍外圍巖的應(yīng)力變化。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),得出如圖6所示應(yīng)力曲線,由圖6可知:

（1）鉆孔深度3 m時,煤柱應(yīng)力先增加后穩(wěn)定,當14103工作面回采期間煤柱應(yīng)力開始出現(xiàn)下降,然后逐漸增加,主要是14103工作面回采期間,隨著老頂斷裂,3 m鉆孔應(yīng)力先釋放然后增加,并且煤柱3 m范圍內(nèi)由于錨網(wǎng)索支護改善了煤柱承載能力,從而使煤體能夠承受較高的應(yīng)力。

圖6　不同深度鉆孔所測應(yīng)力變化曲線

（2）鉆孔深度5 m時,煤柱應(yīng)力先增加后減小,并且在14103工作面回采期間,此處應(yīng)力一直處于下降狀態(tài),說明受14102工作面和14103工作面回采時采動壓力的影響,5 m處煤體已進入了塑性區(qū),并且5 m處已超出錨網(wǎng)索聯(lián)合支護影響范圍,承載力超過其極限載荷后,此處煤柱受力處于一直下降的趨勢。

（3）鉆孔深度8 m和10 m范圍內(nèi),煤柱受力先增加,然后逐步出現(xiàn)穩(wěn)定。說明此范圍內(nèi)煤體承載力能夠承受14102工作面和14103工作面的二次采動影響。

基于以上數(shù)據(jù)說明,錨桿索支護應(yīng)力明顯改善了其支護范圍內(nèi)圍巖的應(yīng)力狀態(tài),提高了巷道圍巖抗擾動能力;支護體系外圍巖進入塑性區(qū),也驗證了錨桿（索）支護對維持圍巖穩(wěn)定有著至關(guān)重要的作用。

4　支護效果

對14102、14103二次采動過程巷道圍巖變形進行了現(xiàn)場監(jiān)測。14102工作面回采期間,錨桿錨索受力增加明顯,說明錨桿錨索有效控制了巷道圍巖變形,巷道頂?shù)装逡平?0 mm,兩幫移近量30 mm,巷道變形較小。

14103工作面回采期間,14103輔運副巷變形曲線如圖7所示。由前述可知,14103工作面回采時錨桿受力發(fā)生了鋸齒狀變化,每一次鋸齒狀變化則說明煤巖體發(fā)生了不同程度的擴容變形。工作面回采后,巷道頂?shù)装逡平?90 mm,兩幫移近280 mm?？傮w來看,14103輔運副巷經(jīng)歷二次采動影響后,巷道能夠滿足礦井安全生產(chǎn)需要。

圖7　14103工作面回采期間14103輔運副巷變形量

5　結(jié)論

（1）針對麻家梁地質(zhì)條件,通過數(shù)值模擬確定錨桿預(yù)緊力應(yīng)采用80 k N可以確保巷道圍巖的穩(wěn)定性,提高圍巖的抗擾動能力。

（2）經(jīng)歷二次采動影響,錨桿索受力增加后能夠很好地保證支護構(gòu)件的可靠性,并且提高了支護范圍內(nèi)圍巖的抗擾動能力。

（3）3 m處鉆孔圍巖（錨桿索聯(lián)合支護范圍內(nèi)圍巖）能夠很好地承擔二次采動應(yīng)力,5 m處圍巖受二次采動影響已進入塑性區(qū),8 m和10 m處圍巖仍具有一定的承載能力。

（4）錨桿索桿體受力變化與圍巖的受力變化一致,二者相互影響,且錨桿索支護力是改善圍巖受力狀態(tài)的根本原因。

（5）通過現(xiàn)場監(jiān)測,14103輔運副巷采用高強度一次支護技術(shù),能夠完全保證巷道的穩(wěn)定性,滿足14103工作面回采期間的安全生產(chǎn)要求。

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（責任編輯張毅玲）

Analysis of anchor bolt and cable supporting effect in roadway influenced by the secondary mining process

Dai Shengfu1,Yang Zhibing1,Meng Xianzhi2,3,Jiang Pengfei2,3,Pan Yang1
（1．Majialiang Coal Company Joint-stock by Datong Coal Industry and Zhejiang Provincial Energy Group Co．,Ltd．,Shuozhou,Shanxi 036009,China; 2．Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co．,Ltd．,Chaoyang,Beijing 100013,China; 3．Coal Mining and Design Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China）

AbstractThe supporting effect of anchor bolts and cables in 14103 auxiliary transport roadway influenced by the secondary mining in Majialiang Coal Mine was analyzed by the methods of numerical simulation and field monitoring．The results showed that high prestressed supporting could improve the stress field of roadway supporting in effect;it was found by the field monitoring that the stresses of anchor bolts and cables first increased sharply and then tended to be stable influenced by 14102 face mining process,then the stresses of some slightly decreased while the supporting kept effective during the 14103 face mining process．Within the range of anchor bolts and cables supporting,the surrounding rocks at 3 m from the wall of 14103 auxiliary transport roadway always kept rather strong bearing capacity,and the surrounding rocks at 5 m were nearly into the plastic zone,and the surrounding rocks at 8 m and 10 m always had rather strong bearing capacity．After the secondary mining influence,the distance between the roof and floor decreased 390 mm and the distance between two sides decreased 280 mm．

Key wordsmining-induced stress,roadway support,anchor bolt and cable supporting,pretightening force,stress of roadway surrounding rock,numerical simulation

中圖分類號TD353

文獻標識碼A

基金項目:?國家自然科學基金煤炭聯(lián)合基金重點項目（U1261211）,天地科技公司研發(fā)項目（KJ－2015－TDKC－10）,中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金重點項目（2014ZD001）

作者簡介:代生福（1966－）,男,山西應(yīng)縣人,工程師,主要從事煤礦技術(shù)指導(dǎo)的管理工作。