王建軍

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團雙柳煤礦,山西 柳林 033300)

煤礦井下回采巷道的安全與穩(wěn)定一直以來都是保障安全生產(chǎn)的重要屏障,與工作面高產(chǎn)高效相匹配,大斷面強運輸能力已成為多數(shù)回采巷道的重要特征之一。但受多重地質構造與地下高應力環(huán)境條件的限制,面對強采動等開采因素的影響,該類巷道圍巖穩(wěn)定性的控制以及巷道支護結構的有效性仍值得進一步深入研究。何富連等[1]在大斷面綜放煤巷穩(wěn)定性分析中指出，大尺寸斷面及支護不合理是圍巖發(fā)生破壞的主要原因;李柱等[2]通過巷道冒頂前礦壓現(xiàn)象分析得出頂板結構失穩(wěn)的主要原因是支護結構的完整性差以及支護失效;趙科等[3]在厚煤頂大斷面巷道研究中指出采用高預應力錨桿索支護并適當提高支護密度能夠對淺部圍巖施加更大壓應力,進而可以更好地控制頂板下沉；朱飛[4]、佐江宏[5]提出合理的支護結構及支護方式是保證巷道穩(wěn)定的關鍵;翟文立等[6]通過對巷道圍巖應力環(huán)境的分析提出高預緊力讓均壓支護設計思路,并對巷道進行了錨網(wǎng)索支護改革;黃偉等[7]針對大斷面軟巖巷道采用了高強讓壓錨桿及鳥窩錨索協(xié)同支護的方式有效地治理了圍巖變形問題。

本文以雙柳煤礦2309運巷為研究對象,針對其在掘進中礦壓顯現(xiàn)明顯、圍巖變形不易控制等難題,采用有限元分析和現(xiàn)場實測的方法,對巷道失穩(wěn)的原因進行了分析,依據(jù)讓壓耦合支護理念,提出新型錨桿+鳥窩錨索耦合讓壓支護技術。經(jīng)試驗應用,優(yōu)化方案在節(jié)約支護成本和提高掘進速度的同時,能夠有效控制圍巖變形。

1 工程概況

雙柳煤礦2309運巷位于礦井二采區(qū)前進方向的南翼,為2309回采工作面運煤皮帶巷兼進風巷。采區(qū)巷道位于一復雜的向斜構造之上,煤層厚度3.25 m,其間含多層泥巖夾矸,煤層破碎、強度較低。巷道頂部為層狀相間的砂巖、炭質泥巖,質地較軟，裂隙發(fā)育;底板為大厚度層理交錯的砂質泥巖。

二采區(qū)2309運輸巷為矩形斷面,寬5.4 m,高3.5 m。斷面支護:頂部為Φ22 m×2.5 m高強螺紋鋼錨桿,間排距0.8 m×1.0 m;幫部為Φ22 m×2.4 m高強螺紋鋼錨桿,間排距0.9 m×1.0 m;頂部采用Φ21.8 m×6.4 m的低松弛(1×19)高強錨索,“三四”布置,排距1.0 m。

2 巷道面臨的支護難題

結合2309運巷所處的地質條件和圍巖實際破壞特征,分析出巷道所面臨的支護難題主要有以下四點。

1)構造應力影響。煤層為3+4#復合結構,層理裂隙發(fā)育;采區(qū)巷道多處于高構造應力區(qū)域,在復雜高應力和強采動影響下,巷道周圍巖體破裂、支護難度大。

2)煤柱影響。2309運巷與2307尾巷之間留設10.6 m煤柱,煤柱在采煤工作面超前和側向支承壓力的影響下發(fā)生了屈服變形,2309運巷在掘進期間煤柱側巷幫成型較差。

3)支護材料?，F(xiàn)在使用的支護材料在產(chǎn)品性能、配件匹配性、錨固力、預緊力等方面有待優(yōu)化改進。

4)支護成本與掘進速度。由于生產(chǎn)接續(xù)的問題,既要盡量提高運巷的掘進速度又要降低支護成本,必須優(yōu)化支護方案。

3 耦合讓壓支護理念

在巷道掘進過程中,由于受開挖擾動的影響，巷道圍巖變形差異性較大,錨桿、錨索對圍巖的加固約束力同樣具有差異性和非線性。為防止錨桿、錨索破斷損壞,充分發(fā)揮錨桿、錨索共同對圍巖錨固的作用,提出協(xié)同耦合讓壓支護思路,實現(xiàn)支護結構體和圍巖耦合協(xié)同作用。

3.1 錨桿(索)系統(tǒng)與圍巖間耦合

錨桿、錨索作為支護結構的關鍵組成部分,只有其桿(索)體支護結構的強度和可縮性與圍巖體本身變形實現(xiàn)協(xié)同耦合,方可達到圍巖的穩(wěn)定平衡。圖1為耦合讓均壓錨桿工作特性曲線。

圖1 耦合讓均壓錨桿工作特性曲線Fig.1 Bolt working characteristic curves of coupling yielding pressure equalization

如圖1所示,普強錨桿支護強度較低,對高應力適應性較弱；高強錨桿破斷率極高,在發(fā)生破斷時允許變形和圍巖變形相差甚大，具有讓壓特性的錨桿(索)可發(fā)揮鋼材的可縮性特點,利用耦合讓均壓特殊元件結構改善支護結構的工作特性,實現(xiàn)支護體和圍巖體協(xié)同耦合作用,達到安全、經(jīng)濟的支護目的。

3.2 錨桿與錨索間耦合

錨桿和錨索材質、結構不同,其物理力學性能存在差異,桿體的伸縮率遠大于索體,但錨桿破斷極限遠小于錨索,錨索加固范圍一般大于普通錨桿。這種物理力學性能差異如果在設計時考慮不充分,將會由于錨桿、錨索支護約束力相互不協(xié)調而造成支護加固損壞。尤其當巷道處于高應力、強采動條件時,錨桿、錨索間支護變形和工作載荷難以實現(xiàn)協(xié)同耦合,同樣難以達到支護構件與圍巖體共同耦合加固。由此,需采用協(xié)同讓壓支護思路使錨桿和錨索對圍巖約束變形和工作載荷相協(xié)調。

圖2為一般錨索與讓壓型錨索的工作特性對比曲線。由圖2可知,相較于一般錨索,讓均壓型錨索的延伸性明顯提高，具有耦合讓壓特性。

圖2 不同錨索工作特性對比曲線Fig.2 Comparison of working characteristic curves with different cables

4 試驗巷道支護設計

考慮到錨桿、錨索支護的結構特性與圍巖本身應力-變形之間的耦合機理,高應力巷道協(xié)同讓壓支護原則為:在穩(wěn)定控制圍巖前提下,可允許支護結構在屈服破斷前具有一定的可縮性和讓均壓作用,以減讓不必要的變形破壞載荷,以最大程度保護支護結構本身不被破壞。據(jù)此,結合雙柳礦采區(qū)巷道受高構造應力影響的特點,選擇具有讓壓耦合作用的新型錨桿+鳥窩錨索錨固技術,對2309運巷進行支護優(yōu)化。

4.1 支護參數(shù)有限元分析

依據(jù)雙柳礦二采區(qū)巷道高構造應力地質條件,建立有限元數(shù)值模型,圖3為有限元程序計算得出的巷道圍巖摩爾-庫侖安全系數(shù)分布圖。為實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制及安全,當錨桿長度2.4 m時,錨桿錨固段位于較穩(wěn)定圍巖段。如錨桿過短則使得安全系數(shù)偏小,破碎圈圍巖得不到有效錨固,從而導致整體圍巖的穩(wěn)定性下降。

圖3 摩爾-庫侖安全系數(shù)分布Fig.3 Mohr-Coulomb safety factor distribution

圖4為不同錨桿安裝力條件下的頂板離層情況。由圖4可見，隨著錨桿安裝力的增加,不同深處的頂板離層及拉破壞程度均得到了較明顯的改善。當錨桿安裝應力較小(20 kN)時,在頂板上方600,900,1 200 mm深處范圍內有明顯的離層張口現(xiàn)象存在;當錨桿安裝應力增加至40 kN時,頂板上方1 200 mm深度范圍內的離層均消除閉合,頂板拉破壞區(qū)范圍減小,圍巖整體穩(wěn)定性明顯提高。

圖4 不同錨桿安裝力時的頂板離層特征Fig.4 Characteristics of roof separation under installation forces of different bolts

4.2 支護方案選取

結合支護參數(shù)有限元分析結果以及實際地質開采條件,確定2309運巷合理的支護方案,巷道優(yōu)化支護斷面圖如圖5所示。

圖5 巷道優(yōu)化支護斷面圖Fig.5 Cross-section diagram of optimized roadway support

如圖5所示,頂板和兩幫錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm高強高預應力讓均壓錨桿,配合150 mm×150 mm×8 mm高強球型托盤及12-15t單泡讓壓管,頂錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm,同時配合5 400 mm×280 mm×2.5 mm六孔W鋼帶及加厚鋼托盤;錨桿預緊力大于40 kN,施加扭矩大于200 N·m。頂錨索采用Φ18.9 mm×6 300 mm鳥窩耦合讓均壓錨索,配合300 mm×300 mm×12 mm高強球形托盤及21-25TB讓壓管,錨索三三布置,間排距1 600 mm×1 000 mm,錨索安裝載荷不小于120 kN。

5 工程應用監(jiān)測

在二采區(qū)2309運巷選取一段代表性地段,對基于讓壓理念的優(yōu)化方案進行現(xiàn)場掘巷試驗,在試驗巷道段設置3個綜合監(jiān)測站,包括對巷道周邊收斂、錨桿(索)工作受載情況進行連續(xù)監(jiān)測,以驗證此次支護優(yōu)化設計的合理性與支護質量。

圖6為優(yōu)化支護試驗巷道某監(jiān)測斷面圍巖位移量監(jiān)測曲線圖。由圖6可見,在有效監(jiān)測時間內,巷道優(yōu)化支護后巷道頂?shù)装彘g移近減小為52 mm,比原支護(348 mm)降低了85.6%;兩幫累積移進量為47 mm,較原支護方案(246 mm)降低了80.9%;且經(jīng)優(yōu)化支護后,巷道圍巖在揭出后趨于穩(wěn)定的時間更短。

因此,對于高構造應力區(qū)巷道,采用讓壓耦合支護技術后,成本低、速度快,巷道支護強度提高,實現(xiàn)了安全回采。

圖6 巷道圍巖變形監(jiān)測曲線Fig.6 Deformation curves of surrounding rock

6 結論

1)根據(jù)有限元分析,設置合理的錨桿長度能夠保證巷道支護結構有效地錨固至圍巖松散破碎帶以外的穩(wěn)定巖層當中,同時增加錨桿安裝力能夠有效地消除頂板離層以及減小圍巖拉破壞,從而提高圍巖整體穩(wěn)定。

2)基于錨桿(索)對圍巖加固約束的差異性,提出協(xié)同耦合讓壓支護思路,實現(xiàn)支護構件聯(lián)合體與圍巖體協(xié)同加固作用。對雙柳礦2309運巷提出新型錨桿+鳥窩錨索耦合讓壓支護技術,實現(xiàn)了巷道支護優(yōu)化。

3)經(jīng)工程試驗及礦壓監(jiān)測表明,優(yōu)化支護后的巷道頂板累積收斂量較原支護減少了85.6%,兩幫累積移進量較原支護減少了80.9%,表明協(xié)同耦合讓壓支護技術可節(jié)約支護成本,提高成巷速度,實現(xiàn)巷道穩(wěn)定控制與回采生產(chǎn)安全。