韓少勇(山東能源集團肥城礦業(yè)公司工程管理科,山東泰安271600)

1 前言

近年來,礦井開采深度不斷延伸,導(dǎo)致礦井掘進巷道圍巖應(yīng)力不斷增大,嚴重影響巷道支護穩(wěn)定性。原始的巷道支護方式無法滿足巷道支護要求。針對高應(yīng)力圍巖支護問題,我國相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙呀?jīng)做出諸多研究[1-3],并取得一定的研究成果,主要有中空注漿錨桿和高強注漿錨桿,但由于操作較為復(fù)雜,施工程序較多,嚴重影響支護效率。

本文以某礦11034 工作面運輸巷掘進為背景,采用預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)對巷道進行支護,運用COMSOL 進行了預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)應(yīng)變模擬研究。

2 11034 運輸巷概況

11034 工作面長1 129 m,寬186 m,主采煤層3#煤層,巖層中間夾矸,上下分層見夾著一層泥質(zhì)粉砂巖,頂板為泥巖,底板為泥質(zhì)粉巖。根據(jù)勘查,距離地表最小距離1 300 m,屬于典型的埋深大、高應(yīng)力區(qū)域。掘進過程中有少量水滲出,圍巖為軟巖,支護難度大。煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 3#煤層巖層柱狀圖

3 圍巖應(yīng)變數(shù)值模擬研究

假設(shè)巷道周圍煤巖為均勻介質(zhì),巷道頂板粉砂巖、底板泥質(zhì)粉巖均為均勻介質(zhì),巖層內(nèi)應(yīng)力分布均勻。所使用軟件為有限元軟件,模擬介質(zhì)結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)變情況[4-6]。

11034 運輸巷巷道斷面設(shè)計為半圓拱形,COMSOL 模擬所用幾何模型和巷道設(shè)計斷面尺寸為1∶1比例。幾何模型如圖2所示。

圖2 模擬巷道幾何模型

3.1 巷道未支護圍巖應(yīng)力分布模擬

巷道未進行支護時,巷道承受的豎直方向的應(yīng)力為200 MPa,水平方向應(yīng)力為120 MPa。不同巖層基本參數(shù)見表1。

表1 巖層基本參數(shù)表

本文采用固體應(yīng)力瞬態(tài)模型,模擬出巷道斷面受到應(yīng)力30 d 時的應(yīng)力分布情況。應(yīng)力分布如圖3所示。

為了解頂板應(yīng)力分布情況,本文模擬得出中部位置到頂板距離0～2 m 線型應(yīng)力分布曲線[7],曲線圖如圖4所示。

圖4 頂板應(yīng)力變化曲線圖

由圖3、4 可知,巷道正上方應(yīng)力最大,達到1.9 ×108Pa,隨著距離頂板位置越來越遠,應(yīng)力逐漸降低,最終趨于平穩(wěn)。在距離頂板約2 m 位置點應(yīng)力基本趨于平穩(wěn),此時應(yīng)力約1.0 ×108MPa。

圖3 30 d 時巷道斷面應(yīng)力分布云圖

3.2 巷道支護后圍巖應(yīng)力分布模擬

為了研究預(yù)應(yīng)力注漿錨固后巷道圍巖應(yīng)力分布情況,假設(shè)頂板每排實施預(yù)應(yīng)力錨桿5 根,巖體周圍所受的應(yīng)力和原始應(yīng)力模擬基本一致,周圍巖體基本參數(shù)和表1 一致,運用軟件COMSOL 進行數(shù)值模擬,巷道周圍應(yīng)力分布如圖5所示[8-10]。

為定量研究巷道周圍應(yīng)力分布情況,本文分別對巷道頂部錨桿不同時間段軸向應(yīng)力分布情況進行了模擬,模擬圖如圖6所示。

由圖5、圖6 可知,錨桿軸向應(yīng)力分布均勻,介于1.7 ×108～1.9 ×108Pa。15 d、20 d、30 d 三個時間段應(yīng)力基本變化偏差較小。

圖5 錨固巷道周圍應(yīng)力分布云圖

圖6 錨桿軸向應(yīng)力分布曲線圖

3.3 模擬分析

分析巷道進行預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)和未進行預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)巷道周圍巖石應(yīng)力分布情況可知,巷道未實施預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)時,巷道頂板圍巖應(yīng)力分布比較集中,而且整個頂板應(yīng)力分布范圍較大,水平方向應(yīng)力延伸至左、右巷幫上。當進行了預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)后,頂板圍巖應(yīng)力平均分布在錨桿上,并有效解決了巷幫應(yīng)力延伸的問題。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

基于本文數(shù)值模擬研究成果,在11034 運輸巷支護過程中使用預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù),錨固技術(shù)實施過程中,錨桿布置情況如圖7所示。

圖7 巷道段錨桿布置圖

巷道實施完成預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)之后,運用速凝水泥進行了錨噴,底板進行了網(wǎng)片注漿鋪設(shè)。錨桿均采用鋼制錨桿,φ30 mm,錨桿施工密度為0.5 m×0.5 m,支護完成后安裝了頂板離層儀等監(jiān)測設(shè)備進行了圍巖變形監(jiān)測。觀測發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨注支護巷道區(qū)域在180 d 的周期內(nèi)未出現(xiàn)巷道斷面垮落現(xiàn)象,巷道整體未出現(xiàn)大幅度變形。分析頂板離層儀監(jiān)測數(shù)據(jù),頂板離層儀數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文針對深部高應(yīng)力巷道支護問題,運用耦合數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場應(yīng)用考察的方法進行了相關(guān)研究,得出以下結(jié)論:

(1)原始巖層狀態(tài)進行開挖過中,深部巷道斷面頂板承受的應(yīng)力最大,最大可達到1.9 ×108Pa,頂板應(yīng)力向兩幫傳遞。

(2)運用預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)的巷道頂板應(yīng)力被錨桿承接,巷道頂板應(yīng)力被傳遞到錨桿上后,有效解決了頂板巖石豎向離層問題,可有效控制頂板垮落。

(3)通過現(xiàn)場考察分析,預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)有效解決了深部巷道頂板巖石垮落、行幫大幅平移等問題,保證了支護巷道長時間完成性。

綜上所示,預(yù)應(yīng)力錨注技術(shù)從理論和實踐上均可行。