王星星，童 榮

(晉能控股煤業(yè)集團 同忻煤礦山西有限公司，山西 大同 037000)

隨著采礦技術(shù)的逐漸成熟，生產(chǎn)裝備的日益先進，開采強度的逐年增大，礦井資源儲量匱乏、采掘接替緊張問題也日益凸顯[1-2]。無煤柱護巷作為解決該問題的主要手段之一，近年來被廣泛推廣應(yīng)用[3-6]。無煤柱護巷分為沿空留巷和小煤柱沿空掘巷，其中特厚煤層開采以小煤柱沿空掘巷為主[7]。小煤柱沿空掘巷是指將巷道布置于采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，雖巷道圍巖整體應(yīng)力環(huán)境較低，但煤體塑性破壞嚴重，因而小煤柱巷道支護形式的選取面臨著許多新的問題[8-10]。

為此學(xué)者們進行了多方面的研究，王長平[11]以大埋深小煤柱巷道為地質(zhì)基礎(chǔ)，通過分析小煤柱沿空掘巷破壞機理，提出了以注漿錨索為核心的幫部支護方案，解決了小煤柱巷道幫部變形嚴重的問題。李洪彪等[12]提出了以“中空注漿錨索+錨網(wǎng)梁”聯(lián)合支護為核心的“三軟”煤層小煤柱巷道支護技術(shù)，并通過現(xiàn)場實踐驗證了支護參數(shù)的合理性。許興亮等[13]發(fā)現(xiàn)小煤柱內(nèi)部存在部分中性面區(qū)域，該區(qū)域不變形或變形極小，研究表明錨桿支護強度可顯著增大中性面承載能力。張元超等[14]分析了深井綜放沿空掘巷實體煤幫變形破壞機制，提出了高強讓壓長錨索聯(lián)合錨網(wǎng)的實體煤幫支護技術(shù)。

同煤集團同忻礦具有煤層埋藏深、厚度大，工作面開采強度高的特點，小煤柱沿空掘巷綜放開采已在該礦廣泛應(yīng)用，但目前特別針對此種條件下的小煤柱巷道支護參數(shù)的研究仍相對較少。故而，以同忻礦小煤柱沿空掘巷為工程背景，探索特厚煤層高強度綜放開采工作面小煤柱沿空掘巷的支護形式，為今后類似條件下小煤柱巷道支護參數(shù)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 工程背景

同忻礦8305工作面位于三盤區(qū)南部，工作面傾向長200 m，可采長度為1 034 m，平均埋深530 m.5305巷為工作面回風(fēng)巷，采用小煤柱沿空掘巷布置，與北部8307采空區(qū)留設(shè)煤柱寬度6 m.根據(jù)同忻礦實際生產(chǎn)情況5305巷優(yōu)先選用矩形斷面，在滿足通風(fēng)、運輸、行人、管線架設(shè)、設(shè)備安裝等要求的前提下，巷道掘進寬度為5 500 mm，高度為3 800 mm，工作面布置圖如圖1所示。

圖1 8305工作面布置圖

8305工作面所在區(qū)域附近的煤層厚度介于7.24～17.98 m之間，平均厚度13.76 m，平均傾角1.5°，煤層普氏硬度1.59，節(jié)理較發(fā)育。工作面頂?shù)装逡陨皫r為主，具體情況如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性概況

2 小煤柱巷道支護參數(shù)理論分析

2.1 圍巖松動圈范圍確定

2.1.1 松動圈理論概述

松動圈理論認為，支護的作用就是限制圍巖松動圈中碎脹力造成的有害變形，松動圈的大小直接關(guān)系到主動支護參數(shù)的選取。實踐表明，圍巖松動圈越大，碎脹變形就越大，巷道支護就越困難。掌握巷道松動圈的范圍，對于選擇合適的巷道支護形式與參數(shù)至關(guān)重要，松動圈理論依據(jù)松動圈大小將巷道圍巖類別分為以下6類，如表2所示。

表2 圍巖松動圈分類及支護建議

2.1.2 巷道圍巖松動圈計算

矩形巷道主要采用等效圓法計算圍巖松動圈，等效圓法是指將矩形巷道等效為圓形巷道，通過計算等效過后,圓形巷道的破碎帶范圍來確定矩形巷道的圍巖松動圈。

彈性理論及莫爾-庫倫強度準(zhǔn)則[15]指出：圓形巷道在靜水壓力作用下彈性區(qū)和塑性區(qū)的切向應(yīng)力σθ表達式如下：

(1)

(2)

由于巷道彈塑性區(qū)交界位置處切向應(yīng)力σθ值相等，則聯(lián)立式(1)、(2)得圓形巷道塑性區(qū)半徑：

(3)

(4)

(5)

根據(jù)巷道圍巖力學(xué)參數(shù)及巷道幾何參數(shù)(見表3)，帶入式(3)～(5)計算可得，同忻礦5305小煤柱巷頂板松動圈范圍為1.85 m，兩幫松動范圍為1.00 m.

表3 圍巖力學(xué)參數(shù)及巷道尺寸

2.2 基于松動圈理論支護參數(shù)計算

2.2.1 錨桿參數(shù)計算

1) 錨桿長度計算：工程類比同忻礦以往巷道錨桿材質(zhì)，5305小煤柱巷采用MG400型左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(D22)，錨桿屈服力152 kN，設(shè)計錨固力為桿體屈服力的標(biāo)準(zhǔn)值即152 kN，則由式(6)計算得，錨桿錨固長度l2為0.86 m.

(6)

式中：K為安全系數(shù)，一般取1.5；Q為設(shè)計錨固力，取152 kN；d為鉆孔直徑，取0.028 m；τ為錨固劑與煤體間黏聚力，取3 000 kPa.

樹脂錨固劑與煤體間黏聚力參數(shù)[16]，如表4所示。

表4 樹脂錨固劑與不同巖體黏聚力

取錨桿外露長度l1為0.1 m，根據(jù)巷道松動圈計算結(jié)果，則由公式(7)、公式(8)計算得，頂錨桿長度lh為2.81 m，幫錨桿長度ll為1.96 m.

lh=l1+hh+l2

(7)

lh=l1+hl+l2

(8)

2) 錨桿間距計算：錨桿間距D由式(9)計算得最大不超過1.98 m.

(9)

式中：D為錨桿間距，m；ρ為煤體密度，取1.426 t/m3.

3) 錨桿直徑校驗：錨桿直徑d至少應(yīng)滿足如下不等式：

(10)

式中：[σt]為錨桿屈服強度，取400 MPa.計算得：d≥0.022 m，錨桿直徑取22 mm滿足設(shè)計要求。

4) 錨桿錨固劑計算：根據(jù)錨固長度，按式(11)計算錨桿錨固需要的藥卷長度：

(11)

式中：ks為錨固劑損耗系數(shù)，取1.1～1.5；R孔為錨桿鉆孔半徑，取14 mm；R錨為錨桿半徑，取11 mm；R藥為樹脂藥卷半徑，取11.5 mm;L錨為錨桿錨固長度，取860 mm；計算得：L藥=536.5～731.6 mm.

根據(jù)計算結(jié)果，選取1卷MSZ2360的樹脂錨固劑。

2.2.2 錨索參數(shù)計算

1) 錨索長度計算：錨索采用直徑21.8 mm鋼絞線，錨索屈服力583 kN，設(shè)計錨固力為370 kN，則由式(6)計算得，錨索錨固長度l2＇為2.10 m.取錨索外露長度l1＇為0.2 m，取上托盤及索具厚度l3＇為0.1 m，根據(jù)巷道松動圈計算結(jié)果，則由公式(12)、公式(13)計算得，頂錨索長度lh＇為4.25 m，幫錨索長度ll＇為3.4 m.

lh＇=l1＇+hh+l2＇+l3＇

(12)

lh＇=l1＇+hl+l2＇+l3＇

(13)

2) 錨索間距計算：錨索間距D＇依據(jù)式(9)計算得最大不超過3.09 m.

3) 頂錨索支護密度計算：由式(14)可知每米巷道頂板錨索數(shù)量N滿足如下不等式：

N≥KW/Q

(14)

W=2γhhl

(15)

式中：K為安全系數(shù)，取 1.5；W為頂板巖層壓力；Q為錨索設(shè)計錨固力，取525 kN；γ為懸吊巖層重力密度，取24 kN/m3；hh為頂板松動圈范圍，取1.85 m；l為巷寬，取5.5 m.

計算得巷道頂板單位面積內(nèi)需要的錨索根數(shù)為1.98根，在充分保證支護質(zhì)量的前提下取整為2根。

4) 錨索錨固劑計算：根據(jù)錨索錨固長度l2＇，按式(11)計算得錨索錨固需要的藥卷長度為1.34～1.84 m，根據(jù)計算結(jié)果，選取MSCK2335(1卷)、MSZ2360(2卷)的樹脂錨固劑。

3 支護參數(shù)數(shù)值模擬分析

結(jié)合同忻礦實際生產(chǎn)情況，現(xiàn)采用FLAC3D有限差分法模擬分析不同參數(shù)對巷道支護的影響，為5305小煤柱巷支護參數(shù)的確定打下基礎(chǔ)，模擬方案如表5所示。

表5 支護參數(shù)模擬方案

3.1 錨桿預(yù)緊力對其預(yù)應(yīng)力在圍巖中擴散的影響

如圖2所示，從長度為2.5 m的單根錨桿依次在預(yù)緊力30 kN、60 kN、90 kN、120 kN時的應(yīng)力分布狀態(tài)可以得出：單根錨桿在預(yù)緊力30～60 kN時，錨桿所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力較低，預(yù)應(yīng)力沿軸向、徑向的擴散范圍較小，錨桿自由端和錨固端應(yīng)力場相對獨立，未形成完整連續(xù)的應(yīng)力區(qū)；當(dāng)預(yù)緊力為90 kN時，隨著錨桿預(yù)緊力的增大，錨桿所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力逐漸增大，預(yù)應(yīng)力沿軸向、徑向的擴散范圍也在逐漸增大，單根錨桿所形成的應(yīng)力場開始連接成為整體。

圖2 長度2.5 m單錨桿不同預(yù)緊力預(yù)應(yīng)力場

如圖3所示，長度2.5 m、間距1 m的錨桿群不同預(yù)緊力所形成的應(yīng)力場分布規(guī)律與長度2.5 m單根錨桿不同預(yù)緊力所形成的應(yīng)力場分布規(guī)律基本類似，當(dāng)錨桿群預(yù)緊力在30～60 kN時，錨桿群產(chǎn)生的應(yīng)力場無論是軸向還是徑向都未能形成連續(xù)的應(yīng)力區(qū)；當(dāng)錨桿群預(yù)緊力為90 kN時，隨著預(yù)緊力的增加，錨桿自由端的壓應(yīng)力范圍和強度均相應(yīng)增大增強，直至與錨固端的壓應(yīng)力疊加，同時相鄰錨桿自由端及錨固端的壓應(yīng)力在徑向上也相互疊加，最終錨桿群形成完整連續(xù)的壓應(yīng)力區(qū)。

圖3 長度2.5 m、間距1 m錨桿群不同預(yù)緊力預(yù)應(yīng)力

預(yù)緊力是影響錨桿自由端應(yīng)力場強度和擴散范圍的決定性因素。根據(jù)巷道實際地質(zhì)情況確定合理的錨桿預(yù)緊力，并使錨桿預(yù)應(yīng)力實現(xiàn)有效擴散，使錨桿的主動支護作用得到充分發(fā)揮是預(yù)緊力設(shè)計的關(guān)鍵。預(yù)緊力選擇原則是：使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)，在錨桿拉應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，預(yù)緊力越大越好。

3.2 錨桿(索)長度對其預(yù)應(yīng)力在圍巖中擴散的影響

如圖4、圖5所示，在錨桿預(yù)緊力為90 kN的條件下，當(dāng)錨桿長度小于2.3 m時，錨桿自由端和錨固端的壓力場是連續(xù)的；在錨桿長度增加至2.5 m時，錨桿自由端和錨固端的壓力場逐漸分離，在達到2.7 m后，兩壓力場完全分離。錨索預(yù)緊力300 kN，間距2.0 m的情況下，錨索長度6.3 m時，0.1 MPa的壓應(yīng)力可連續(xù)，在7.3 m時，錨索自由端和錨固端壓應(yīng)力區(qū)趨于分離。

圖4 90 kN預(yù)緊力錨桿不同長度的預(yù)應(yīng)力場

圖5 300 kN預(yù)緊力錨索不同長度的預(yù)應(yīng)力場分布

錨桿、錨索自由端的長度是影響壓應(yīng)力沿軸線擴散范圍的主要因素，在預(yù)緊力一定，自由端和錨固端壓應(yīng)力連續(xù)的情況下，隨錨桿(索)自由端的加長，壓應(yīng)力區(qū)先是拉長，之后逐漸出現(xiàn)分離，分離后自由端的壓應(yīng)力場范圍和強度隨其長度的增加幾乎不再變化，說明錨桿錨索并不是越長越好，應(yīng)合理選取錨桿錨索長度。

同時，在設(shè)計錨桿、錨索長度時，也應(yīng)考慮巷道圍巖的可錨性，對于小煤柱巷道，巷道圍巖處于塑性破壞狀態(tài)，圍巖破碎，裂隙發(fā)育，故可適當(dāng)增加錨桿錨索長度，增加錨固長度，保證支護的可靠性。

3.3 錨桿(索)間距對其預(yù)應(yīng)力在圍巖中擴散的影響

由圖6和圖7所示，90 kN預(yù)緊力錨桿以及300 kN預(yù)緊力錨索形成的預(yù)應(yīng)力場分布可得：

1) 錨桿(索)間距過大時，單根錨桿、錨索所形成的預(yù)應(yīng)力場是相互獨立的，未能形成完整連續(xù)的支護結(jié)構(gòu)。隨著錨桿(索)間距的減小，每根錨桿(索)形成的預(yù)應(yīng)力場開始相互連接，形成可覆蓋整個頂板的完整的支護結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)錨桿(索)間排距減小到一定程度，繼續(xù)增加支護密度并不會對錨桿(索)所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場強度以及范圍產(chǎn)生明顯影響。

2) 預(yù)緊力不同，單根錨桿、錨索所形成的預(yù)應(yīng)力場可以相互貫通的臨界間距也不同。預(yù)緊力越大，預(yù)應(yīng)力場可以相互貫通的臨界間距也越大，因此，在實際設(shè)計中可以通過提高錨桿(索)的預(yù)緊力來降低巷道的支護密度。

總之，間距是影響錨桿(索)間能否形成連續(xù)壓應(yīng)力的關(guān)鍵因素，在間排距合適時，各桿體間通過應(yīng)力的疊加，應(yīng)力場的強度也相應(yīng)增強，隨著錨桿(索)的間排距加大，桿體間的應(yīng)力疊加范圍相應(yīng)減小，相應(yīng)桿體間應(yīng)力場的強度也相應(yīng)減小。

圖6 90 kN預(yù)緊力錨桿不同間距的預(yù)應(yīng)力場

圖7 300 kN預(yù)緊力錨索不同間距的預(yù)應(yīng)力場分布

3.4 組合錨索對巷道支護效果的影響

在巷道支護過程中，同一斷面即使錨索數(shù)量、長度、預(yù)緊力完全相同，但由于錨索的布置形式不同也會對巷道圍巖產(chǎn)生不同的作用效果?，F(xiàn)對錨索的布置形式按均勻分散布置和組合布置進行分析，組合錨索布置形式如圖8所示，針對不同布置形式下的作用效果數(shù)值模擬結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖8 組合錨索布置形式

圖9 分散錨索預(yù)應(yīng)力場分布

圖10 組合錨索預(yù)應(yīng)力場分布

由圖9和圖10分散錨索和組合錨索形成的預(yù)應(yīng)力場分布可得，兩種不同布置形式下其形成的應(yīng)力場影響范圍基本一致，但組合錨索較分散錨索應(yīng)力場來說組合錨索有以下幾點優(yōu)勢：

1) 組合錨索在巷道頂板位置形成的應(yīng)力場強度為1 MPa，分散錨索應(yīng)力場強度為0.47 MPa，組合錨索的應(yīng)力場強度明顯比分散錨索強。

2) 組合錨索形成的0.2 MPa應(yīng)力場范圍可影響至頂板上方8.5 m處，而分散錨索相同強度的預(yù)應(yīng)力場只能影響至4.8 m.

3) 組合錨索形成的高強度預(yù)應(yīng)力拱，配合相應(yīng)的錨桿支護，可形成完整、連續(xù)和穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力場。

3.4 不同鉆孔直徑對錨固效果的影響

“三徑”是否匹配直接關(guān)系到錨固力能否達到設(shè)計要求。若鉆孔與錨桿半徑差較小，會造成錨桿安裝困難，浪費施工時間且錨固圈太薄達不到預(yù)期錨固效果；若鉆孔與錨桿半徑差太大，則會造成錨固長度變小，浪費錨固劑同時錨固力也達不到要求。現(xiàn)通過模擬錨桿拉拔試驗來探索合理的“三徑”匹配，模型設(shè)置錨桿直徑為22 mm，錨固長度0.8 m，模擬拉拔力100 kN，通過對比分析鉆孔與錨桿半徑之差為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm 四種拉拔條件下錨固劑塑性區(qū)及應(yīng)力分布狀態(tài)，具體如圖11所示。

由圖11可以得出： 在保證錨桿不發(fā)生破壞的前提下，拉拔過程中錨固劑受剪切力作用而破壞變形，當(dāng)鉆孔與錨桿半徑差為2 mm時，錨固劑塑性區(qū)體積占比為48.3%，錨固劑塑性破壞接近一半，破壞較為嚴重，錨固劑受到拉拔影響范圍較大，鉆孔與錨桿半徑之差為 3 mm、4 mm、5 mm 時，錨固劑塑性區(qū)體積占比分別為34.3%、21.7%、31.5%，隨著半徑差的增加錨固劑塑性破壞面積逐漸減小，在半徑差為4 mm時達到最小值21.7%，此后隨著半徑差的增加錨固劑塑性破壞面積有增加趨勢。由此可知：在保證錨桿錨固效果的同時考慮到利于錨桿安裝、避免錨固劑浪費等問題，在鉆孔與錨桿半徑之差4 mm時最適宜。

圖11 錨固劑塑性區(qū)

4 工程應(yīng)用

4.1 支護方案

結(jié)合理論計算及數(shù)值模擬分析，同忻礦5305小煤柱巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。

頂板采用兩排錨桿一排錨索交替支護布置，間距900 mm，排距900 mm，每兩排錨桿間布置兩組組合錨索，頂錨桿為D22 mm×3 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂錨索規(guī)格為D21.8 mm×6 300 mm，組合錨索規(guī)格為D21.8 mm×10 300 mm.巷道幫部自上而下共分為4排支護，間排距均為900 mm，采煤幫第一排及第四排為錨桿支護，第二排及第三排為錨桿錨索交替支護，其中距巷道底2 950 mm布置一排錨索，3根為一組用JW型鋼帶連接。煤柱幫第一排為錨索支護，第二排及第三排為錨桿錨索交替支護，第四排為錨桿支護。幫部錨桿為D22 mm×3 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采煤幫錨索規(guī)格為D21.8 mm×6 300 mm，煤柱幫錨索規(guī)格為D21.8 mm×4 500 mm，頂板支護圖如圖12所示。

圖12 小煤柱巷道頂板支護平面圖(mm)

支護過程中采用直徑28 mm鉆頭掘孔，錨固劑直徑23 mm.錨桿設(shè)計錨固力152 kN，預(yù)緊力要求不小于75 kN；錨索設(shè)計錨固力為370 kN，預(yù)緊力要求不低于290 kN，支護斷面圖如圖13所示。

圖13 小煤柱巷道支護斷面圖(mm)

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

為了驗證小煤柱巷道支護的合理性，在巷道掘進及回采期間對巷道表面位移進行了觀測，由于巷道測站布置密集，觀測數(shù)據(jù)較多，但變形規(guī)律基本一致，本文以巷道中部測站為例進行分析，觀測結(jié)果如圖14～圖17所示。

圖14 掘進期間巷道頂?shù)装逡平?/p>

圖15 掘進期間巷道兩幫移近量

圖16 回采期間巷道頂?shù)装逡平?/p>

圖17 回采期間巷道兩幫移近量

觀測結(jié)果表明：同忻礦5305小煤柱巷掘進期間頂?shù)装遄畲笠平繛?3 mm，兩幫最大移近量為96 mm；回采期間，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?20 mm，兩幫最大移近量為729 mm.合理的巷道支護參數(shù)設(shè)計，使得巷道在掘進及回采過程中變形維持在可控的范圍之內(nèi)，未出現(xiàn)錨桿錨索失效現(xiàn)象，保證了工作面的安全順利生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

1) 通過等效圓法計算得出,同忻5305小煤柱巷頂板松動圈范圍為1.85 m，幫部松動圈范圍為1 m.

2) 基于松動圈理論，計算得出頂錨桿長度為2.66 m，幫錨桿長度為1.81 m，為方便施工最終選取頂幫錨桿長度均為3 m.理論計算得：頂錨索長度為4.28 m，幫錨桿長度為5.13 m，考慮到巷道煤柱寬度留設(shè)6 m的緣故，最終確定巷道煤柱幫錨索長度為4.5 m，采煤幫及頂板錨索長度為6 m.

3) 維持連續(xù)的高強度預(yù)應(yīng)力場是巷道支護的關(guān)鍵，提高預(yù)緊力，匹配鉆孔與錨桿索直徑，保證錨固力，適當(dāng)縮小錨桿索長度及間距、搭配相應(yīng)的組合錨索是提高巷道支護質(zhì)量的有效途徑。

4) 5305小煤柱巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，配合合理的支護參數(shù)使得巷道在掘進及回采期間圍巖變形得到了有效控制，滿足實際生產(chǎn)需求。