能源與礦業(yè)學院,北京 100083;2.北京科技大學 土木與資源"/>
李永亮,楊仁樹,溫明睿,路紹杰,李文凱,黃 強
(1.中國礦業(yè)大學(北京)>能源與礦業(yè)學院,北京 100083;2.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083)
煤系地層在形成過程中由于受沉積環(huán)境和地質構造運動的影響,巖性在豎直方向上交替改變,層理、裂隙、軟弱夾層等結構面發(fā)育,具有典型的層狀特征[1-2]。在此類巖層中掘進巷道,由于層狀頂板結構多變,各分層頂板自身承載能力差,抵抗變形能力小,對工程擾動敏感性強,容易產生離層失穩(wěn),引發(fā)冒頂事故,對煤礦安全生產影響大[3-5]。錨桿和錨索是保障煤礦巷道圍巖穩(wěn)定的主要支護材料,錨索與錨桿相比可施加較大的預緊力,且可錨固到深部穩(wěn)定圍巖。隨著開采深度增加,巷道圍巖賦存環(huán)境惡化,錨索的使用量大幅增加,甚至一些巷道采用全錨索支護,使巷道圍巖的穩(wěn)定性顯著提高[6-8]。但是隨著錨索服役環(huán)境的變化,大變形巷道逐漸增多,由此引發(fā)的頂板錨索破斷問題日益嚴重。頂板錨索破斷必然造成巷道頂板支護強度大幅降低,這也是引發(fā)巷道頂板變形失穩(wěn)的關鍵因素。我國學者針對不同因素影響下錨桿的軸向荷載傳遞機理與橫向剪切變形特征進行了大量的研究工作[9-15],而針對煤礦錨索的研究略顯不足,且大多集中在其軸向錨固效應[16-18]。錨索與錨桿在材料屬性方面具有本質差異,在錨桿與圍巖相互作用關系方面的研究成果并不能直接應用于錨索。煤礦巷道頂板在撓曲下沉過程中不僅存在豎向的位移,還有層間的橫向剪切錯動;但目前一般將錨索視為拉伸構件,不能反映其真實受力特征,且頂板錨索支護設計主要依靠經驗,尤其是有關錨索的位置布設、預緊力大小以及長度等關鍵參數的確定,缺乏科學理論的支撐。因此,重點研究煤礦巷道頂板錨索的真實受力特征,探究長短錨索對頂板的支護效應,揭示長短錨索與不同區(qū)域頂板的相互作用關系,闡明其分區(qū)錨固機理;最后,提出以長短錨索為主導的多層次支護技術,降低頂板錨索有害受力,避免錨索破斷,保證其服役安全,實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定,以期為類似條件下頂板錨索的支護設計提供理論支撐與技術指導。
趙莊礦是原晉煤集團的主力生產礦井,目前主采3號煤。煤層厚度為4.5 m左右,平均傾角為5°;煤層頂板以泥巖和砂質泥巖為主,局部含有軟弱夾層,層理裂隙發(fā)育、分層薄且層間黏結力差,頂板結構復雜,為一類比較典型的層狀復合頂板[2]。該礦井開拓巷道為布置在煤層中的大斷面矩形巷道,掘進寬度為5.5~5.9 m,高度為4.5 m,一般沿煤層全高掘進。由于煤層松軟,頂板結構復雜,巷道支護問題一直是制約礦井安全高效生產的關鍵因素。礦井自建設以來開拓巷道的支護方式主要經歷了2個階段。第1階段為普通的錨網索聯(lián)合支護,即以錨桿支護為主,錨索補強;此階段巷道冒頂事故率高,沿巷道軸向冒頂范圍大,且冒高大多集中在5 m以上,安全問題極其突出。第2階段主要是高預應力全錨索支護,即巷道全斷面采用1×19結構、直徑為21.8 mm的強力錨索支護,頂板錨索長度為7.4 m,間排距為1 000 mm×1 000 mm,煤幫錨索長度為5.4 m,間排距為950 mm×1 000 mm;此階段巷道頂板穩(wěn)定性顯著提高,安全問題得到很大改善。但是隨著開采深度和巷道服務時間的增加,局部區(qū)域圍巖變形嚴重,單一層次的頂板錨索破斷率高,引發(fā)的巷道圍巖穩(wěn)定控制問題嚴峻。
通過對巷道大變形區(qū)域挑頂過程中揭露錨索的統(tǒng)計情況可知:錨索平均破斷率達34%,局部可達60%;索體斷口位置主要集中在頂板2.0 m范圍內的自由段;在巷道頂板每排6根錨索中靠近中部的2根錨索破斷時其鋼絲多有明顯的頸縮現(xiàn)象,以杯錐狀拉伸斷口為主,而靠近巷道肩角的4根錨索破斷時斜切斷口較多,且破斷位置多位于層理面處;還發(fā)現(xiàn)靠近頂板肩角錨索破斷時,而中部顯著撓曲位置的錨索未破斷。以上說明錨索在頂板中并不是單純的只承受拉伸荷載,還有橫向剪切荷載。部分破斷的錨索在頂板巖層中的賦存狀態(tài),如圖1所示。
圖1 破斷的錨索在層狀頂板內賦存狀態(tài)[8]Fig.1 Occurrence state of broken cable bolts in layered roof[8]
采用FLAC3D數值軟件研究頂板不同區(qū)域內錨索的真實受力特征。建立的數值模型尺寸為40 m×1 m×25 m,模擬的巷道寬度為5.5 m,高度為4.5 m,埋深為600 m,施加的側壓系數為1.2。在巷道頂板2.5 m范圍內通過設置interface單元模擬層理,結合現(xiàn)場頂板條件,分層厚度設置為0.2、0.3、0.4 m。由于數值軟件中的cable單元只能模擬錨索的軸向受力,不能反映其真實受力狀態(tài)。因此,采用fish語言,改進數值軟件中的pile單元模擬錨索,使其可以同時反映錨索的軸向拉伸荷載和橫向剪切荷載[2,14]。
在巷道頂板中布置一排錨索共6根,間距為1.0 m,錨索的長度為7.4 m,每根錨索設置74個結構單元,錨固長度為1.5 m。由于巷道頂板錨索布置具有對稱性,處于對稱位置的錨索受力差別不大,取其中靠近巷道一側的3根錨索進行受力分析,從巷道肩角開始分別標為1號、2號和3號錨索。建立的數值模型,如圖2所示;所采用的巖層、結構面與錨索的參數,分別見表1、表2和表3。
圖2 巷道數值模型Fig.2 Numerical model of roadway
表1 巖層力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock strata
表2 數值模型中interface單元參數Table 2 Interface element parameters in numerical model
表3 數值模型中錨索參數Table 3 Cable bolt parameters in numerical model
在建立的數值模型中,分別研究無支護和錨索預緊力為50、100、150、200、250 kN時,巷道頂板的變形特征與錨索受力的差異性。
2.2.1 巷道頂板變形
獲得無支護和錨索不同預緊力下頂板的豎向下沉變形結果,如圖3所示。由結果可知,頂板的整體變形以撓曲下沉為主,頂板的豎向位移越靠近中部下沉量越大,越靠近兩幫下沉量越?。辉跓o支護下頂板出現(xiàn)較為顯著的離層現(xiàn)象和撓曲變形,最大下沉量為628 mm;安設不同預緊力的錨索后,頂板下沉變形得到有效控制,離層現(xiàn)象消除;隨著錨索預緊力的提高,頂板變形量逐漸減小,對圍巖的控制效果逐漸增大。
圖3 不同錨索預緊力下巷道頂板豎向變形Fig.3 Vertical deformation of roadway roof under different pretension of cable bolt
2.2.2 錨索軸向拉力
獲得不同條件下錨索的軸向受力結果,如圖4所示。由結果可知,錨索的軸向拉力在自由段保持不變,在錨固段隨著長度的增加逐漸減小。在同一預緊力下,布置在頂板不同位置的錨索軸向受力具有差異性,越靠近頂板中部其受到的拉力越大。錨索預緊力提高后,使不同位置錨索的軸向拉力的差值逐漸減小,尤其對靠近肩角兩根錨索的影響更為顯著,軸向拉力峰值差異度由原來的52%減小為5%,受力趨于均勻,如圖4f所示。結合巷道頂板變形特征可知,不同位置錨索軸向拉力的差異性,主要是由于不同位置頂板撓曲變形的不同導致。頂板的豎向位移越靠近中部下沉量越大,導致其軸向拉力增大;靠近巷道兩幫時頂板豎向位移逐漸減小,使錨索受到的軸向拉力逐漸降低。錨索預緊力提高后,頂板下沉得到控制,不同位置處下沉量差異性降低,使不同位置錨索的軸向拉力的差值縮小,受力趨于均勻。
2.2.3 錨索橫向剪力
獲得不同條件下錨索的橫向受力結果,如圖5所示。頂板2.5 m范圍內錨索受到的橫向剪力較為顯著,剪力峰值集中在頂板深度0.5~2.0 m,頂板深度大于2.5 m后,錨索基本不受橫向剪力的影響。在同一預緊力下,頂板錨索越靠近巷幫其剪力越大,而越靠近中部其剪力越小,頂板錨索的橫向剪力分布特征與軸向拉力正好相反。提高錨索預緊力后,不同位置錨索的剪力峰值的差異性逐漸縮小,巷道肩角兩根錨索受預緊力的影響更大,剪力峰值差異度由原來的10%減小為4%,受力趨于均勻,如圖5f所示。結合巷道變形特征可知,頂板下沉過程中不僅有豎向的撓曲變形,還有橫向的層間剪切錯動,中部區(qū)域雖然撓曲變形最大,但其層間剪切錯動不顯著;而越靠近巷幫其層間錯動越劇烈,導致錨索的剪力增大。錨索預緊力提高后,頂板整體位移量減小,靠近巷幫頂板的剪切錯動亦較為緩和,使錨索的橫向剪切受力趨于均勻。
綜合以上分析可知,煤礦巷道頂板錨索在下位頂板巖層內受力相對復雜,不僅受到軸向拉伸的影響,還受到橫向層間剪切錯動的作用,即錨索同時受到軸向拉伸荷載與橫向剪切荷載,這也是現(xiàn)場頂板錨索破斷位置多發(fā)生在頂板2.0 m范圍內的主要根源。頂板錨索越靠近中部其拉伸荷載越大,而越靠近幫部其剪切荷載越顯著;提高錨索的預緊力可有效控制頂板變形,有利于頂板穩(wěn)定,減少錨索有害受力,降低錨索破斷率,進而提高整個支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
頂板錨索的長度也是影響其支護效果的關鍵因素之一。為了對比分析不同長度錨索對頂板的支護效果,采用FLAC3D數值軟件研究不同長度錨索在頂板中產生的支護應力場。建立的模型尺寸為25.5 m×1 m×20 m,巷道寬度為5.5 m,高為4.5 m。在巷道頂板中布置一排錨索共3根,錨索的間距為1.5 m,錨固長度為1.0 m,施加預緊力為250 kN,模擬錨索的長度分別為3、4、5、6、7、8 m,共6種。獲得不同長度錨索的支護應力場,如圖6所示。
圖6 不同長度錨索支護應力場Fig.6 Supporting stress field of cable bolts with different length
為了進一步說明不同長度錨索對其錨固范圍內圍巖的支護效果,在不同長度錨索自由段中部布置一條與頂板平行的測線,提取每點的壓應力,獲得其應力分布曲線,如圖7所示。
圖7 不同長度錨索自由段中部壓應力分布Fig.7 Compressive stress distribution in middle of free section of cable bolt with different length
由以上結果可知,錨索的錨固段會在圍巖中產生一定的拉應力,為了保障其錨固效果,應將其錨固在相對堅硬的巖層內。錨索在圍巖中產生的壓應力疊加主要分布在其自由段,且在托板位置會產生相對較大的壓應力。隨著錨索長度的增加,在頂板中產生的有效壓應力范圍在高度和寬度上均有所增加,說明錨索對圍巖的主動支護范圍越來越大。當錨索長度不小于4 m時,隨著錨索長度的增加,對其自由段中部圍巖的壓應力疊加程度逐漸降低,說明錨索長度增加后對其錨固范圍內圍巖的支護剛度有降低趨勢;而錨索長度為3 m時,雖然單根錨索能夠產生較大的壓應力,但其長度有限,群體支護時預應力在橫向范圍內壓應力疊加效應不顯著,在其自由段中部圍巖的壓應力呈波浪型分布。
綜合以上分析可知,在預緊力一定時,錨索的長度增加可使圍巖的主動支護范圍擴大,但對其中部圍巖的主動支護效果降低,此時短錨索的支護效應優(yōu)于長錨索;同時由于錨索長度過短,不利于群體支護效應的發(fā)揮。因此,在煤礦巷道頂板錨索支護設計時其長度不宜過短,但也不宜過長。
3.2.1 分區(qū)錨固機理
基于以上分析可知,煤礦巷道層狀頂板撓曲變形過程中,同時存在豎向的下沉位移和橫向的層間剪切錯動。根據不同區(qū)域頂板變形的差異性,在巷道頂板橫向可將頂板分為3區(qū),即1個中心區(qū),2個肩角區(qū),如圖8所示,(C為壓應力;T為拉應力;箭頭方向為示意層間的相對剪切錯動)。位于中心區(qū)的頂板豎向下沉較為劇烈,亦是極易發(fā)生離層的位置,布置在該區(qū)域的錨索更容易由于延伸率不足與頂板大變形不相適應而發(fā)生拉伸破斷失效。而位于肩角區(qū)的頂板層間剪切則更為顯著,布置在該區(qū)域的錨索在承受拉伸荷載的同時,亦承受較大的剪切荷載,更容易發(fā)生剪切破斷失效。因此,布置在頂板不同區(qū)域的錨索,具有典型的分區(qū)錨固機理。結合長短錨索的支護特點,對于肩角區(qū)頂板則應優(yōu)先采用高預緊力強力短錨索,發(fā)揮短錨索高剛度的支護效應,對層理等非連續(xù)結構面施加有效的壓應力,增強層間的剪切阻抗,使分層頂板形成連續(xù)且較厚的梁,增強頂板巖梁抵抗變形能力,主控頂板的層間剪切錯動。對于中心區(qū)頂板應采用高預緊力強力長錨索,將短錨索與下位巖層形成的錨固體錨固在深部穩(wěn)定巖層內,充分調動穩(wěn)定巖層的承載能力,具有減跨效應;同時錨索長度的增加,適應大變形的能力增強,主控頂板的撓曲離層。因此,為了實現(xiàn)對復雜困難條件下煤礦巷道頂板的穩(wěn)定控制,可采用長、短錨索結合的方式,進行分區(qū)域錨固。
圖8 層狀頂板巖梁“橫三區(qū)”撓曲變形示意Fig.8 Schematic diagram of flexure deformation of rock beam with layered roof in “Transverse three areas”
3.2.2 多層次支護技術
煤礦巷道開挖后根據頂板破壞程度的不同,在豎向可把頂板巖層分為非穩(wěn)定層、亞穩(wěn)定層和穩(wěn)定層。其中非穩(wěn)定層位于頂板淺部,受開挖卸荷擾動顯著,離層嚴重,當支護不及時或者支護強度低時極易失穩(wěn),具有較大的冒頂隱患。亞穩(wěn)定層位于頂板中部,次生裂隙發(fā)育但未完全貫通,圍巖具有一定承載能力,但易向非穩(wěn)定層轉化。穩(wěn)定層位于頂板深部,一般處于彈性狀態(tài),以完整的結構形式存在,屬于較為穩(wěn)定的巖層。通過對巷道大量的頂板鉆孔窺視可知,頂板深度0~2.5 m為非穩(wěn)定層,2.5~4.8 m 為亞穩(wěn)定層,大于4.8 m以后為穩(wěn)定層,但穩(wěn)定層內局部可見軟弱夾層。針對巷道復合頂板呈現(xiàn)薄分層、弱黏結和軟夾層的特點,基于頂板錨索分區(qū)錨固機理,提出以長短錨索為主導,結合強力長錨桿的多層次支護技術,實現(xiàn)連續(xù)性的預應力承載結構。頂板多層次支護技術圍巖控制原理如下:
第1層次:長錨桿,長2.8~3.2 m的錨桿,長度大于非穩(wěn)定層邊界,通過較高的預緊力在淺部頂板形成較高的法向應力,使分層頂板形成具有較高剪切阻力和較堅硬的組合梁,主控下位具有較大冒頂風險的非穩(wěn)定層。
第2層次:短錨索,采用長約5.4 m的短錨索,主控亞穩(wěn)定層。將短錨索均勻布置在頂板肩角區(qū)域,通過高預緊力,發(fā)揮短錨索的優(yōu)點,使預應力有效疊加,增強頂板層間剪切阻力,同時進一步加強對下位非穩(wěn)定層的控制。
第3層次:長錨索,長約7.4 m的長錨索布置在頂板中心區(qū),深入到穩(wěn)定巖層以內,通過較高的預緊力將長錨桿和短錨索形成的承載結構與深部穩(wěn)定巖層相互擠壓,形成連續(xù)的預應力承載結構,充分調動深部穩(wěn)定巖層承載,同時消除錨固范圍內軟弱夾層的不利影響。
多層次支護在圍巖中產生的支護應力場,如圖9所示。通過連續(xù)的預應力承載結構,增強肩角區(qū)頂板層間剪切阻抗,減少中心區(qū)頂板撓曲離層,進而保證頂板巖梁的連續(xù)性,抑制巷道頂角破壞,形成有效、可靠的支護系統(tǒng)。需要特別注意的是:由于煤幫作為頂板巖梁的載體,其大范圍破壞必然造成頂板支護結構體系的損傷,頂板有效跨度增大,加劇頂板有害變形。因此,必須保證煤幫的支護強度,為頂板提供持續(xù)有效的支撐,在支護方案選擇時,應堅持“頂幫協(xié)同”控制的原則。
圖9 多層次支護在頂板中形成的預應力承載結構Fig.9 Supporting stress field of multi-level supporting in roof
試驗巷道為五盤區(qū)的主要運輸大巷,埋深約為440 m,沿煤層全高掘進,巷道的高度為4.50 m,寬度為5.50 m。為了降低錨索破斷率,有效控制極易離層的復合頂板,基于頂板錨索分區(qū)域錨固機理和長短錨索的支護效應,采用多層次支護技術進行頂板控制,同時保證煤幫的支護強度。具體支護參數如下:
4.1.1 頂板支護
頂板采用長短錨索、長錨桿和金屬網聯(lián)合支護,形成3個支護層次。金屬網為?6.5 mm的鋼筋焊接而成,網孔規(guī)格為100 mm×100 mm。長錨桿為高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,直徑為22 mm,長度為3.2 m。間排距為1 000 mm×1 200 mm,錨固長度為1 675 mm,施加預緊轉矩不小于400 N·m。長短錨索均為1×19股,直徑為21.8 mm的強力鋼絞線,短錨索的長度為5.4 m,長錨索為7.4 m,其中短錨索每排4根,間排距為1 500 mm×2 400 mm;長錨索每排3根,間排距為1 500 mm×2 400 mm;長短錨索的錨固長度均為1 970 mm,施加預緊力不小于250 kN。
4.1.2 煤幫支護
煤幫采用短錨索、錨桿和金屬網聯(lián)合支護,金屬網為?6.5 mm的鋼筋焊接而成,網孔規(guī)格為100 mm×100 mm。煤幫的頂底角為高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,其余部位為強力短錨索。其中錨桿的直徑為22 mm,長度為2.8 m,排距為1 200 mm,頂角錨桿距頂板300 mm,底角錨桿距底板400 mm,頂底角錨桿與水平方向有10°的偏角,錨固長度為1 675 mm,預緊力矩不小于400 N·m。錨索為1×19股,直徑為21.8 mm的強力鋼絞線,長度為5.4 m,間排距為950 mm×1 200 mm,錨固長度為1 970 mm,預緊力不小于150 kN。
以上施工工序完成后,及時對頂幫噴射厚度為150 mm的C20混凝土層密閉圍巖。巷道支護方案示意圖,如圖10所示,(S為索的簡稱,1×19S為1根錨索是由19股鋼絲組成)。
圖10 支護方案示意Fig.10 Schematic diagram of supporting measures
巷道掘進支護完成后,布置3個測站進行為期90 d的礦壓監(jiān)測,主要包括巷道表面位移和錨桿錨索受力。通過對相應數據處理,可得巷道表面位移曲線和錨桿錨索受力曲線,如圖11和圖12所示。其中每個測站內錨桿和錨索的受力情況類似,以其中一個測站的監(jiān)測結果進行說明。
圖11 巷道圍巖位移隨時間變化曲線Fig.11 Displacement curves of roadway surrounding rock with time
圖12 錨桿和錨索受力隨時間變化曲線Fig.12 Axial load curves of rock bolts and cable bolts with time
從巷道表面位移監(jiān)測結果可知,3個測站內頂板最大下沉量為72 mm、兩幫最大移近量為145 mm??傮w來說,巷道表面位移較小,兩幫移近量不大,整體穩(wěn)定性較好。從錨桿錨索受力變化趨勢來看,錨桿錨索受力同步上升,說明錨桿錨索起到了協(xié)同承載作用;錨桿和錨索在服務期間受力增加平緩,且變化不大,這說明錨桿錨索有效控制了圍巖的非連續(xù)大變形,尤其是錨固區(qū)內圍巖的初期離層、剪切滑動、以及內部裂隙張開與貫通等得到控制,圍巖整體變形小,有利于發(fā)揮圍巖自身的承載能力,避免錨桿錨索有害受力急劇增加。巷道掘進完成16個月后,進行井下調研發(fā)現(xiàn),頂板穩(wěn)定程度較高,未見異常變形,整體穩(wěn)定性好;同時對頂板錨索進行張拉抽檢,未發(fā)現(xiàn)錨索破斷現(xiàn)象。綜合以上分析可知,基于頂板錨索分區(qū)錨固機理,采用以長短錨索為主導的多層次支護技術,可有效解決錨索破斷問題,實現(xiàn)對煤礦巷道層狀復合頂板的穩(wěn)定控制。
1)煤礦巷道頂板下沉過程中,錨索同時承受軸向拉伸荷載和橫向剪切荷載,且具有區(qū)域性受力的差異性,頂板錨索越靠近中部其拉伸荷載越大,而越靠近幫部其剪切荷載越顯著;提高錨索的預緊力可有效控制頂板變形,減少錨索有害受力。
2)錨索的長度增加可使圍巖的主動支護范圍擴大,而短錨索對其中部圍巖的支護剛度優(yōu)于長錨索。短錨索應優(yōu)先布置在頂板的肩角區(qū),主控層間剪切錯動;長錨索應優(yōu)先布置在頂板中心區(qū)主控撓曲離層,實現(xiàn)對煤礦巷道頂板的分區(qū)錨固。
3)提出以長短錨索為主導,結合強力長錨桿的多層次頂板支護技術,實現(xiàn)預應力承載結構的有效疊加,保證頂板巖梁的連續(xù)性,抑制巷道頂角破壞;現(xiàn)場應用效果好,解決了頂板錨索破斷難題,實現(xiàn)了對層狀復合頂板的穩(wěn)定控制。