王李剛，李鵬俊

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

1 錨索破斷分析

1.1 地質(zhì)概況

王莊煤礦8107工作面運(yùn)輸巷位于3號煤層，沿底掘進(jìn)，寬×高=5.5 m×3.5 m，煤厚6.45 m，直接頂為2.54 m泥巖，基本頂為3.1 m厚的細(xì)砂巖，其巖層柱狀圖如圖1所示。巷道支護(hù)方案如圖2所示。巷道留有3 m左右的頂煤，頂板錨桿長度為2.4 m，幫錨桿長度為2.2 m，錨索長度為8.3 m，“3-2-3”布置，錨索直徑為18.9 mm，破斷載荷為409 kN。巷道受到采動影響后，現(xiàn)場礦壓觀測表明，圍巖變形量較大且變形持續(xù)時間較長，部分錨索出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

圖1 巖層柱狀

1.2 錨索受力分析

為了分析巷道錨索破斷原因，依據(jù)巷道地質(zhì)特點(diǎn)及支護(hù)形式，采用FLAC3D建立數(shù)值模型，如圖3所示，錨索采用內(nèi)置單元cable進(jìn)行模擬，其初始工作載荷為210 kN，監(jiān)測巷道開挖及回采階段頂板錨索受力，得到如圖4所示的受力曲線，由此可知，巷道開挖后，在初始階段，圍巖變形能釋放，變形增長較快，錨索受力曲線呈現(xiàn)快速增長，達(dá)到234 kN，當(dāng)圍巖變形趨于穩(wěn)定時，錨索受力增大速度放緩，最終趨于穩(wěn)定，掘巷穩(wěn)定后，在3-2-3錨索布置中，錨索受力由大到小依次是三根錨索中里側(cè)錨索、兩根布置錨索、三根錨索外側(cè)兩根錨索，錨索最大受力值分別為：242 kN、241.2 kN、239.2 kN。這是由于在掘巷階段，頂板下沉一般呈現(xiàn)出巷道中部較大而兩側(cè)較小的弧形分布。

在掘巷期間，錨索受力最大值都未達(dá)到其屈服極限及破斷載荷，說明原有支護(hù)基本可以滿足巷道掘巷期間的支護(hù)要求。隨著工作面的回采，巷道圍巖受到較大的回采動壓影響，支護(hù)體受力隨著圍巖離層變形的增大出現(xiàn)快速增長，并相繼達(dá)到錨索破斷載荷。回采期間巷道頂板非采動側(cè)最外側(cè)錨索最先出現(xiàn)破斷，之后中部錨索出現(xiàn)破斷，頂板采動側(cè)錨索最后出現(xiàn)破斷。在工作面動壓影響下，雖然巷道頂板采動側(cè)圍巖下沉量大于非采動側(cè)，但是其主要變形來自巖層的整體下沉，錨索支護(hù)范圍巖層的離層值由巷道淺部圍巖及其深部圍巖位移差所決定，因此，在巷道支護(hù)實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)注重并及時監(jiān)測頂板離層量的變化。錨索全過程受力曲線表明，原有巷道支護(hù)方案僅能滿足巷道掘進(jìn)過程中的支護(hù)需要，在工作面采動后，支護(hù)體可能因?yàn)檩^低的延伸率而破斷失效。

2 讓壓錨索參數(shù)確定

2.1 讓壓管力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為了緩解巷道錨索破斷的情況，采用讓壓錨索代替普通錨索，即在原有錨索托盤及鎖具之間安裝讓壓管，為了選取錨索相配套的讓壓管，采用C64.106/1 000 kN型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對單泡讓壓管、雙泡讓壓管以及高強(qiáng)雙泡讓壓管進(jìn)行力學(xué)性能測試，圖5為三種讓壓管試驗(yàn)前后實(shí)物圖，圖6為讓壓管的載荷-變形曲線。

圖2 8107工作面運(yùn)輸巷道支護(hù)斷面(mm)

圖3 數(shù)值模型局部支護(hù)

圖4 錨索受力曲線

根據(jù)讓壓管載荷-變形曲線可知：單泡讓壓管讓壓點(diǎn)RB=130.50 kN，最大讓壓行程Dmax=23.6 mm；雙泡讓壓管讓壓點(diǎn)RB=130.89 kN，最大讓壓行程Dmax=38.20 mm；高強(qiáng)雙泡讓壓管讓壓點(diǎn)RB=257.76 kN，最大讓壓行程Dmax=45.83 mm。

圖5 讓壓管試驗(yàn)前后對比

由試驗(yàn)結(jié)果可知，單泡讓壓管及雙泡讓壓管讓壓點(diǎn)大小基本相同，而高強(qiáng)雙泡讓壓管具有較大的讓壓點(diǎn)和讓壓行程。頂板錨索安裝時預(yù)緊力設(shè)計值不低于200 kN，單讓壓管及普通雙讓壓管讓壓點(diǎn)均低于設(shè)計值，讓壓結(jié)構(gòu)在錨索施加預(yù)緊力的過程中特別容易被壓扁而不能發(fā)揮有效讓壓作用。因此，確定巷道錨索配套讓壓管為高強(qiáng)雙泡讓壓管。

2.2 讓壓管長度確定

讓壓管長度的選擇極為重要，錨索采用較短長度讓壓管時，圍巖高應(yīng)力釋放不充分，仍會出現(xiàn)錨索過載現(xiàn)象，讓壓效果不明顯；同樣，讓壓管長度過長也會帶來種種問題，如讓壓管自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，錨索增阻緩慢導(dǎo)致圍巖變形難以控制等問題。因此，為了選取合理的讓壓管長度，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對比 5 cm、10 cm和15 cm高強(qiáng)雙泡讓壓管的圍巖控制效果。由于FLAC3D中并沒有讓壓結(jié)構(gòu)，因此巷道開挖后釋放一定的圍巖壓力再進(jìn)行支護(hù)，圖7和圖8分別為工作面回采后巷道圍巖垂直位移以及水平位移云圖，由圖可知，讓壓管長度為5 cm、10 cm和15 cm時，頂?shù)装迨諗苛糠謩e為594 mm、205 mm和332 mm，兩幫收斂量分別為483 mm、144 mm和263 mm，結(jié)果表明，圍巖變形量并非隨著讓壓管長度的增大逐漸減小，而是呈現(xiàn)出先減小而后再增大的趨勢。讓壓管長度為10 cm時，圍巖變形云圖分布較為對稱，而其余兩種長度讓壓管支護(hù)過程中均出現(xiàn)了較為明顯的非對稱變形，不利于巷道圍巖穩(wěn)定。因此，確定巷道錨索采用長度為10 cm的高強(qiáng)雙泡讓壓管。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

王莊煤礦8107工作面運(yùn)輸巷頂板錨索采用讓壓管后，為了考察讓壓錨索控制圍巖變形的效果，在巷道中采用十字布點(diǎn)法觀測圍巖表面位移、采用液壓枕觀測錨桿及錨索受力，驗(yàn)證采用讓壓錨索后巷道支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。圍巖位移及支護(hù)體受力監(jiān)測結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖可知，采用讓壓錨索支護(hù)體系后，巷道圍巖變形較小，支護(hù)體受力均低于自身破斷載荷，圍巖穩(wěn)定性得到較好控制。

圖6 讓壓管載荷-變形曲線

圖7 圍巖垂直位移云圖

圖8 圍巖水平位移云圖

5 結(jié) 語

1) 王莊煤礦8107工作面運(yùn)輸巷錨索破斷失效的主要原因?yàn)橄锏绹鷰r受回采動壓作用后出現(xiàn)大變形，頂板離層量大于錨索最大延伸長度，錨索受力達(dá)到其極限破斷載荷。

圖9 巷道圍巖變形曲線

圖10 支護(hù)體受力曲線

2) 讓壓管的力學(xué)特性試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果表明，10 cm高強(qiáng)雙泡讓壓管與王莊煤礦8107工作面運(yùn)輸巷頂板錨索匹配性較好，其讓壓點(diǎn)為257.76 kN。

3) 王莊煤礦8107工作面運(yùn)輸巷采用讓壓支護(hù)體系后，圍巖變形控制效果較好，支護(hù)體受力低于破斷載荷。