掘进巷道破碎顶板冒落区加固技术研究.pdf

第 11 期 山 西 焦 煤 科 技 No.112023 年 11 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyNov.2023试验研究收稿日期:2023-09-04基金项目:国家自然科学基金(51774182);国家自然科学基金青年科学基金(51404138);中煤科工集团沈阳研究院创新引导项目(SYYD-21WS-002)作者简介:孙剑(1988),男,山西灵石人,2010 年毕业于燕山大学,工程师,主要从事煤矿瓦斯治理、技术管理等工作(E-mail)15966757654 掘进巷道破碎顶板冒落区加固技术研究孙剑1,邹庆2,3,刘锋2,3,赵雁斌4(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)摘要针对银星一井 05 工作面顺槽掘进巷道局部区域破碎顶板易冒落、难支护的特点,分析了兼顾岩石自身承载力、梁形拱形承载效应的梁-拱锚固支护技术,即采用低预应力等长锚杆与高预应力变长锚杆组合的梁-拱形支护方案。运用 FLAC3D研究了锚杆长度、锚杆间距、锚杆预应力对梁-拱支护结构的影响。结果表明:锚杆长度、布置间距是影响梁-拱承载效果的重要参数,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。基于上述研究结果设计加固支护方案,现场监测表明:围岩两帮的位移量为 31 57 mm,底鼓量为 3868 mm,顶板下沉量为 1525 mm,验证了梁-拱锚固支护方案可靠性。关键词破碎顶板;梁-拱锚固支护;围岩变形中图分类号:TD353文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)11-0004-051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 1.2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.表 1煤层顶底板岩性特征表岩层岩性厚度/m岩性特征基本顶细粒砂岩8.8波状破碎层理直接顶泥岩1.6水平破碎层理煤层煤3.3浅黑色条痕直接底砂质泥岩0.7透镜状层理基本底粗粒砂岩6.0小型交错层理当岩石较为破碎,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 m60 m60 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。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2040 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 3050 kPa,组合拱的应力值为 030 kPa.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52023 年第 11 期孙剑等:掘进巷道破碎顶板冒落区加固技术研究拉应力,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.表 2岩层模拟参数表岩性密度/(g cm-3)弹性模量/GPa泊松比抗拉强度/MPa抗压强度/MPa黏聚力/MPa内摩擦角/()细粒砂岩2.5370.500.217.6097.399.5249.51泥岩2.1352.100.353.2242.122.3348.98煤1.704.520.260.8812.000.6025.00砂质泥岩2.3455.100.323.5645.172.5151.44粗粒砂岩2.6259.700.255.7766.625.6745.36表 3锚杆模拟参数表材料弹性模量/GPa泊松比密度/(kg m-3)泥浆刚度/MPa泥浆摩擦角/()泥浆黏聚力/MPa短锚杆200.000.257800.000.9048.001.00长锚杆300.000.187850.000.9048.001.00图 3不同锚杆长度支护参数下梁-拱锚固支护效果图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 015 kPa.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。图 4不同锚杆间距支护参数下梁-拱锚固支护效果图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.6山 西 焦 煤 科 技2023 年第 11 期图 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.根据图 7 可知,经过 160 天的监测显示,巷道围岩变形在 0120 天时逐渐发展,其中在 40100 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 3868 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。图 6巷道围岩顶板加固技术方案示意图72023 年第 11 期孙剑等:掘进巷道破碎顶板冒落区加固技术研究图 7围岩位移监测曲线图 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 3157 mm,底鼓 量 为 38 68 mm,顶 板 下 沉 量 为 1525 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。参考文献1李桂臣,杨森,孙元田,等.复杂条件下巷道围岩控制技术研究进展J.煤炭科学技术,2022,50(6):29-45.2王鹏翔.大断面岩石巷道爆破掘进技术的研究与应用J.山东煤炭科技,2022,40(12):55-57.3沈明荣,陈建峰.岩体力学M.上海:同济大学出版社,2006:175-177.4于占军,杨玉中,左宝,等.埋深对巷道围岩松动圈的影响研究J.煤,2022,31(2):4-9.5卢运良.赵固二矿 14040 下顺槽底抽巷围岩松动圈测定J.山西焦煤科技,2022,46(9):16-18,53.6单仁亮,原鸿鹄,黄鹏程,等.锚杆锚索同排协同支护在南关矿的应用研究J.煤炭工程,2019,51(10):86-91.7邓燕华.厚煤层开采围岩应力分布规律研究J.煤,2022,31(7):38-41.Research on Reinforcement Technology for Caving Area of Crushing Roof in TunnelingSUN Jian,ZOU Qing,LIU Feng,ZHAO Yanbin AbstractAiming at the characteristics of broken roof and difficult support in the local area of the longitudinal excavation roadway of the No.05 working face of Yinxing No.01 Well,a beam-arch support scheme combining low-prestressing equal-length anchors and high-prestressing variable-length anchors is adopted.The results show that the length and spacing of anchor rods are important parameters affecting the load-bearing effect of beam arch.When the length of anchor rods increases,they exhibit an obvious form of upper combined arch and lower combined beam.When the spacing of anchor rods increases,the range of action of beam-arch structure gradually expands,but the val-ue of stress zone further decreases.The structural effect of beam-arch anchorage is gradually obvious when the value of prestress of long anchors gradually increases from small to large.Key wordsBroken roof;Anchor support;Surrounding rock deformation8山 西 焦 煤 科 技2023 年第 11 期