錢(qián)志輝

(山西潞安集團(tuán) 左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600)

1 工程概況

五里堠煤礦隸屬于山西潞安集團(tuán)，位于左權(quán)縣南側(cè)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t /a。目前主采14號(hào)煤層，平均煤厚4.57 m，煤層傾角3～8°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定。根據(jù)鉆孔觀測(cè)，14號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性多為粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，而在1130運(yùn)輸巷頂板上方有粗砂巖含水層，粗砂巖本身透水性較強(qiáng)，易造成頂板淋水現(xiàn)象。另外，頂?shù)装逯械纳百|(zhì)泥巖遇水后容易泥化，而錨固結(jié)構(gòu)中樹(shù)脂錨固劑受水影響，黏結(jié)能力被弱化，無(wú)法穩(wěn)固頂板巖層，是淋水巷道支護(hù)問(wèn)題的關(guān)鍵。

2 水對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的影響分析

巷道中的支護(hù)錨固結(jié)構(gòu)多為金屬材質(zhì)，遇水后會(huì)產(chǎn)生不同程度的銹蝕，危害有：一是加速了桿體的銹蝕，使其完整性受到破壞，抗拉強(qiáng)度大幅度降低，造成破斷；二是對(duì)托盤(pán)及螺母的銹蝕影響，使其無(wú)法提供足夠的預(yù)應(yīng)力，支護(hù)能力大幅下降；三是對(duì)樹(shù)脂錨固劑的影響，降低了其黏結(jié)作用，錨桿(索)無(wú)法錨固在穩(wěn)定巖層中。因此，有必要展開(kāi)水對(duì)錨固結(jié)構(gòu)影響程度的研究。

2.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D有限差分模擬軟件，模擬圍巖中隨著含水率的增加支護(hù)體周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)的分布情況，來(lái)分析錨固結(jié)構(gòu)的支護(hù)性能受水影響的程度。在圍巖巖體中插入單個(gè)錨桿建立數(shù)值模型，其中錨桿的直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，其彈性模量賦值為200 GPa，屈服強(qiáng)度400 MPa。由于原巖應(yīng)力會(huì)影響支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果，因此模擬中未施加原巖應(yīng)力，僅將預(yù)緊力施加在錨桿尾部。模擬中，設(shè)計(jì)了3種不同圍巖含水率的模型，來(lái)研究含水率與錨固結(jié)構(gòu)弱化程度間的關(guān)系，圍巖含水率分別為2%、4%及6%，并將3種模型的錨固段長(zhǎng)度及錨桿端部預(yù)緊力都統(tǒng)一設(shè)為0.5 m及110 kN。

由于水對(duì)圍巖強(qiáng)度也有影響，因此，在模擬前需確定出不同含水率條件下圍巖巖體的物理力學(xué)參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)取得大塊泥巖及粉砂巖，不同巖性各制成5組標(biāo)準(zhǔn)試件，首先進(jìn)行24 h烘干，并在水中浸泡不同時(shí)長(zhǎng)，分別為30 min、1 h、2 h及飽水4種含水率。將浸水試件與烘干試件分別進(jìn)行單軸壓縮和巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，測(cè)出粉砂巖及砂質(zhì)泥巖在不同含水率下的強(qiáng)度參數(shù)，并通過(guò)擬合得出含水率對(duì)巖體強(qiáng)度影響的定量關(guān)系曲線(xiàn)，如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)模擬與實(shí)際的統(tǒng)一，將擬合的關(guān)系曲線(xiàn)函數(shù)通過(guò)FISH語(yǔ)言編程到模型中，使得模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖1 含水率與圍巖強(qiáng)度關(guān)系擬合曲線(xiàn)

2.2 模擬結(jié)果分析

不同含水率下錨桿孔周?chē)挠行?yīng)力場(chǎng)分布情況如圖2所示，在水的影響下，錨桿與圍巖間的有效壓應(yīng)力強(qiáng)度及范圍受到了明顯的弱化影響，錨桿的主動(dòng)支護(hù)效果也大幅度降低，不能有效控制圍巖變形。

錨桿錨固在圍巖中，施加預(yù)緊力后會(huì)在周?chē)纬深?lèi)似橢圓體的壓應(yīng)力區(qū)域，壓應(yīng)力較大的地方分別位于錨固端和錨桿尾部，而在中間自由段的壓應(yīng)力相對(duì)較小，且向桿體周?chē)诱归_(kāi)來(lái)。壓應(yīng)力分布的范圍大小及其作用強(qiáng)度是錨固結(jié)構(gòu)起到良好支護(hù)效果的關(guān)鍵。

圖2 3種含水狀態(tài)下的支護(hù)應(yīng)力云圖

由圖2可知，含水率的增加會(huì)使錨桿與圍巖間的有效壓應(yīng)力作用范圍減小。當(dāng)圍巖含水率在2%的狀態(tài)下，錨桿周?chē)纬傻挠行簯?yīng)力范圍為0.6 m，其中大小為0.2 MPa以上的壓應(yīng)力區(qū)域?yàn)?.22 m；當(dāng)圍巖含水率為4%時(shí)，位于錨桿自由段上部周?chē)膲簯?yīng)力范圍受到了明顯的影響，且該區(qū)域0.2 MPa以上的有效壓應(yīng)力未能連續(xù)形成，表明自由端上部與圍巖間的黏結(jié)作用大幅降低；當(dāng)圍巖含水率為6%時(shí)，錨桿周?chē)挠行簯?yīng)力范圍減小至0.25 m，較含水率為2%時(shí)縮小了58.3%，且錨桿整體與圍巖在軸向方向上未出現(xiàn)大于0.2 MPa的壓應(yīng)力，整體有效壓應(yīng)力也不連續(xù)，錨固結(jié)構(gòu)的性能較差。

根據(jù)上述分析，要保證含水巷道圍巖的穩(wěn)定性，需先降低頂板含水量，盡可能地減小錨固結(jié)構(gòu)受水的弱化影響。

3 富水頂板穩(wěn)定性控制方案

根據(jù)1130運(yùn)輸巷道的地質(zhì)條件，其頂板砂巖含水層的高度較低，在錨索錨固范圍內(nèi)，因此在鉆錨索孔時(shí)，水會(huì)順著孔流出，造成頂板淋水情況加重，進(jìn)而使得錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受影響程度增加，為此，提出了錨索注漿的方案，將含水層的水堵住，防止其繼續(xù)外流。

3.1 錨索注漿措施

為防止頂板水的流動(dòng)，可采用錨索注漿的措施進(jìn)行保水，如圖3所示。錨索的特制托盤(pán)帶有注漿管路，錨索安裝時(shí)進(jìn)行注漿，注漿完成后用速凝劑將注漿口封閉嚴(yán)實(shí)。采用該注漿措施可以預(yù)防錨索銹蝕，提高錨索的全長(zhǎng)預(yù)緊力，并且可以截堵含水層的水，改善了頂板圍巖的狀態(tài)。

圖3 注漿錨索托盤(pán)示意

3.2 頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

為改善巷道的淋水環(huán)境，頂板采用錨噴支護(hù)，對(duì)掘進(jìn)工作面迎頭先預(yù)噴混凝土漿50 mm，隨后掛網(wǎng)并打錨桿，再進(jìn)行50 mm的復(fù)噴，噴漿厚度總計(jì)100 mm。頂錨桿規(guī)格為D22 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間距900 mm，排距900 m，每排打6根；頂錨索為D18.9 mm×6 800 mm，錨索孔采用小孔徑，間排距1 000 mm×1 200 mm，每排3根；幫錨桿材質(zhì)與頂錨桿一致，間排距為800 mm×900 mm。

4 支護(hù)效果分析

為驗(yàn)證采用錨索注漿后的支護(hù)效果，分析改進(jìn)后錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，沿巷道掘進(jìn)方向每隔100 m布置1個(gè)錨桿測(cè)力的綜合觀測(cè)站，包含頂錨桿及幫錨桿，分別在掘進(jìn)期間和回采期間對(duì)巷道錨桿的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在掘進(jìn)期間，選取頂板含水較多的兩個(gè)測(cè)站進(jìn)行分析，其錨桿軸向載荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。由數(shù)據(jù)結(jié)果可知，這兩個(gè)測(cè)站的錨桿所承受的最大載荷為31 kN，而D22 mm×2 000 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿的極限破斷載荷為196 kN，說(shuō)明其錨固性能未受到影響。

圖4 掘進(jìn)期間錨桿受力變化曲線(xiàn)

錨桿安裝后，在掘進(jìn)期間的受力變化不大，但在工作面回采期間，錨桿的受力持續(xù)增加，不同時(shí)間段頂錨桿的受力曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 不同時(shí)間段頂錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

由圖5可知，載荷在錨桿軸向上非均勻分布，錨桿受力偏位于圍巖淺部，其最大受力點(diǎn)位于距頂板表面0.8 m深處。

隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，受超前支承壓力的影響，錨桿承受的載荷愈加強(qiáng)烈，錨桿受力與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系如圖6所示。工作面推進(jìn)至距錨桿30 m左右時(shí)，桿體的受力增長(zhǎng)速率加快，表明工作面推進(jìn)的超前支承壓力影響范圍為30 m左右。在回采期間，錨桿承受的最大載荷為66 kN，遠(yuǎn)低于D22 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿的的破斷載荷。因此，提出的錨索注漿措施及支護(hù)參數(shù)能夠保證巷道的穩(wěn)定性。

圖6 工作面推進(jìn)距離與錨桿受力變化關(guān)系

5 結(jié) 語(yǔ)

巷道頂板富水會(huì)使樹(shù)脂錨固劑無(wú)法正常黏結(jié)，導(dǎo)致錨固結(jié)構(gòu)的主動(dòng)支護(hù)性能受到影響，通過(guò)不同含水率圍巖的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，得出了含水率與巖體強(qiáng)度的關(guān)系函數(shù)，并帶入到模擬中，得出隨著含水率增加，錨桿所形成的有效壓應(yīng)力范圍和強(qiáng)度降低，錨固性能也隨之變差。采用錨索注漿措施可以起到對(duì)含水層流動(dòng)水的堵截作用，使得頂板淋水問(wèn)題得到控制?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，在掘進(jìn)期間及回采期間，錨桿承受的最大載荷都遠(yuǎn)小于其破斷載荷，表明該方案有效防止了頂板淋水，保證了錨固結(jié)構(gòu)的可靠性，滿(mǎn)足了工作面安全生產(chǎn)的需求。