掘进巷道破碎顶板冒落区加固技术研究

孙 剑,邹 庆,刘 锋,赵雁斌

(1.山西潞安环保能源开发股份有限公司 五阳煤矿, 山西 长治 046200; 2.中煤科工集团 沈阳研究院有限公司, 辽宁 抚顺 113122; 3.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122; 4.浙江欧正建设有限公司, 浙江 温州 325506)

1 工程概况

银星一井05工作面穿过积家井背斜轴部,横跨积家井背斜东、西翼,轴部两翼煤层走向变化较大。巷道埋深为850 m,工作面顺槽附近岩层受地质构造应力影响较大,煤层厚度3.0～3.6 m,倾角5°～11°,赋存结构简单。直接顶与基本顶主要以泥岩和砂岩为主,局部区域的直接顶中存在0.2～0.5 m厚的极易冒落区,随巷道的开挖冒落严重。基本顶受地应力与扰动应力的影响明显,在超前支撑压力的影响下巷道顶板较为破碎,常出现大面积垮落的现象。因此,对于掘进过程中局部区域破碎顶板的加固技术亟待研究。煤层顶底板岩性特征见表1.

表1 煤层顶底板岩性特征表

2 梁-拱锚固承载技术原理

巷道开挖后,围岩应力发生二次重分布,当应力集中区域的应力值高于巷道围岩的承载能力,将会使巷道表现出塑性破坏与损伤特征[1-2]. 伴随着塑性与损伤的卸压过程,巷道围岩的应力将会进一步调整,直至达到变形稳定状态。当巷道未进行加固支护时,根据冒落拱理论,巷道开挖致使岩层间的联系程度降低,在扰动应力与地应力的作用下,巷道浅部围岩发生垮落,深部围岩发生破碎,破碎岩块之间相互挤压变形,最后形成“拱形”动态平衡,即自然平衡拱[3].

当岩石较为破碎,自稳能力较差,自然平衡拱的范围将会随之扩大,其稳定性也会随之降低。为避免围岩松动裂隙圈急剧发展致使巷道失稳,通常采用锚杆进行加固,根据加固原理不同,可分为组合梁结构与组合拱结构[4-5].

1) 组合梁加固结构。

锚杆在岩体中受到岩石塑性碎胀力的拉伸作用,与此同时对岩石产生压应力。在锚杆预应力的作用下,在杆体两端形成锥形应力区,当锚杆间距控制在合理小间距范围内,锚杆之间的锥形应力区将会相互叠加,形成叠合连续的均匀压缩加固结构。使离层的顶板岩层组合在一起形成承载整体。

2) 组合拱加固结构。

组合拱结构是岩土体间微观力学作用效果,非宏观岩石结构。其形成过程依赖于岩石微观颗粒间的内聚力、摩擦角,当不同微观颗粒所受力学边界条件不统一时,将会产生摩擦与挤压作用,使深部岩石在一定程度上形成拱效应。拱效应强度可通过锚杆长度、间距、预应力参数的设计进行控制,根据应力路径的不同,组合拱的力学特性也会发生变化。

基于上述自然平衡拱、组合梁、组合拱理论,提出梁-拱锚固支护[6],结构见图1. 此支护结构在冒落拱基础上,通过锚杆的加固作用对围岩力学性质进行增强,兼顾岩石自身的承载能力、梁形与拱形的承载效应,形成的关键在于等长度和变长度的锚杆相间布置的形式,见图2. 图2(a)中,锚杆等长等距布置下,施加低预应力,在浅部围岩形成方形组合梁支护特征,此种施工方式简单,成本较低;图2(b)中,锚杆沿冒落拱曲线变化长度,施加高预应力,在深部围岩形成组合拱支护特征,此种施工方式复杂,成本较高。综合考虑两种支护方式的优点,将低预应力等长锚杆与高预应力变长锚杆进行组合,形成图2(c)所示的梁-拱形支护方案。

图1 巷道破碎顶板梁-拱锚固支护结构示意图

图2 粱形支护、拱形支护、梁-拱形支护方案三维示意图

3 梁-拱锚固技术参数分析

采用FLAC3D对巷道破碎顶板的岩层控制效果进行分析[7],建立模型尺寸为60 m×60 m×60 m,固定模型底部位移边界与侧向位移边界,在模型顶部施加20 MPa的垂直应力,模拟800 m的巷道埋深。选取的数值模拟岩性参数见表2. 锚杆支护参数见表3. 采用摩尔库伦准则进行数值模拟计算。

表2 岩层模拟参数表

表3 锚杆模拟参数表

3.1 锚杆长度参数

将短锚杆的长度固定为1.8 m,长锚杆的长度设定为3.5 m、4.5 m、5.5 m,得到变锚杆长度下,梁-拱锚固结构的围岩应力变化规律,见图3. 在图3(a)中,锚固作用主要以拱结构为主,压应力区为20～30 kPa. 当锚杆长度增加至4.5 m时(图3(b)),短锚杆附近表现出组合梁的结构形式,压应力数值为20～40 kPa. 当锚杆长度继续增加至5.5 m时(图3(c)),梁-拱锚固结构凸显,表现出明显的上位组合拱与下位组合梁的形式,其中组合梁的应力值为30～50 kPa,组合拱的应力值为0～30 kPa.

图3 不同锚杆长度支护参数下梁-拱锚固支护效果图

通过对比图3可知,梁-拱锚固结构随着长锚杆的长度增加而逐渐凸显,组合拱结构的外边界长度与长锚杆长度接近,在锚杆端头处,压应力逐渐变换为拉应力,围岩压应力逐渐向岩层深部转移,改善了围岩的受力状态[7].

3.2 锚杆间距参数

为探究梁-拱锚固结构与锚杆间距的支护作用关系,选取0.6 m、0.8 m、1.0 m的锚杆间距进行数值模拟计算,见图4. 当锚杆间距为0.6 m时,锚杆的锚固作用力最大,梁-拱结构效果最为明显,其中组合梁的强度为35～64 kPa,组合拱压应力区数值为0～35 kPa. 当间距扩大至0.8 m时,组合梁和组合拱的压应力区数值逐渐下降,组合梁压应力数值为25～45 kPa,组合拱强度为0～25 kPa. 当锚杆间距为1.0 m时,梁-拱结构作用范围逐渐扩大,但应力区数值进一步降低,组合梁强度为15～36 kPa,组合拱强度为0～15 kPa.

图4 不同锚杆间距支护参数下梁-拱锚固支护效果图

根据分析可知,随着锚杆间距的逐渐增加,梁-拱锚固结构的作用范围会逐渐增加,但是随着应力叠合区的逐渐缩减,支护强度会呈现出明显的下降趋势,不利于维护巷道围岩的稳定性。

3.3 锚杆预应力参数

针对锚杆预应力对梁-拱锚固结构的影响,固定短锚杆的预应力为80 kN,长锚杆的预应力分别为100 kN、120 kN、140 kN,数值模拟计算结果见图5. 当长锚杆的预应力数值由小逐渐增大时,梁-拱锚固的结构效果逐渐明显。组合梁的最大强度由45 kPa增加至52 kPa,直至59 kPa. 组合拱的最大强度由20 kPa增加至25 kPa,直至30 kPa.

图5 不同锚杆预应力支护参数下梁-拱锚固支护效果图

根据图5的对比分析可知,锚杆预应力的增加可以显著增强梁-拱组合支护结构的支护强度,但是支护范围并未有明显提升。相比之下,锚杆长度与锚杆间距是影响支护范围的主要参数。

4 支护方案设计与工程监测

根据梁-拱锚固结构的力学成因,为强化顶板拱形支护效应,采用高强锚索代替长锚杆,顶板锚索采用6300 mm与4500 mm不等长布置方式,6300 mm锚索间距为720 mm. 4500 mm锚索距离6300 mm锚索的间距为880 mm,与竖直方向夹角分别为18°与36°,以此作为组合梁支护基础。同时搭配高强度螺纹钢锚杆,锚杆长度采用2800 mm等长布置,锚杆预应力最小值为80 kN,在靠近矩形巷道的边角处设置15°倾角,锚杆间距为700 mm. 顶板锚杆与锚索采用交错布置方式,并配合梯子梁进行支护,排距均为1000 mm. 布置方式见图6. 为验证梁-拱锚固支护对围岩的加固支护效果,对银星一井05工作面进行现场监测,共布置2个围岩变形测站,监测曲线见图7.

图7 围岩位移监测曲线图

根据图7可知,经过160天的监测显示,巷道围岩变形在0-120天时逐渐发展,其中在40-100天时属于变形的快速发展阶段,在120天后围岩变形趋于稳定状态。最终围岩两帮的位移量为31～57 mm,底鼓量为38～68 mm,顶板下沉量为15～25 mm. 在监测期间,巷道未发生冒顶事故,并且满足生产设备的空间使用与安全维护需求。监测结果表明,梁-拱锚固支护方案有效地控制了掘进巷道破碎顶板的冒落与变形。

5 结 语

1) 根据冒落拱理论、组合梁理论、组合拱理论,分析了梁-拱锚固支护技术,同时说明了低预应力等长锚杆与高预应力变长锚杆组合加固围岩的优势,此支护结构兼顾岩石自身的承载能力、梁形与拱形的承载效应。

2) 对梁-拱锚固支护技术的影响参数进行分析,当锚杆长度增加时,表现出明显的上位组合拱与下位组合梁的形式。锚杆间距增大时,梁-拱结构作用范围逐渐扩大,但应力区数值进一步降低。当长锚杆的预应力数值由小逐渐增大时,梁-拱锚固的结构效果逐渐明显。

3) 设计了矩形巷道围岩加固技术方案,通过160天的监测结果表明,围岩两帮的位移量为31～57 mm,底鼓量为38～68 mm,顶板下沉量为15～25 mm. 围岩变形在120天后趋于稳定,并且满足日常生产需求,验证了梁-拱锚固支护方案的可靠性。