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 二次采動巷道錨桿（索）支護(hù)效應(yīng)分析*（煤炭）

                代生福¹  楊志兵¹  孟憲志^2，3  姜鵬^2，3  潘  楊¹

（1．同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省朔州市，036009; 2．天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；3．煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013）

摘要采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法分析了14103麻家梁煤礦輔運(yùn)副巷在經(jīng)歷二次采動應(yīng)力的影響下，巷道錨桿（索）的支護(hù)效應(yīng)。數(shù)值模擬分析14103輔運(yùn)副巷采用高預(yù)應(yīng)力支護(hù)可有效改善巷道支護(hù)應(yīng)力場；現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)錨桿、錨索桿體應(yīng)力受14102工作面回采影響先

急劇增加后趨于穩(wěn)定，再經(jīng)歷14103工作面回采影響雖部分桿體應(yīng)力有所下降，但仍能保持有效支護(hù)作用；14103輔運(yùn)副巷淺部錨桿索支護(hù)范圍內(nèi)的3m處圍巖始終保持較強(qiáng)的承載能力，較深部5m處圍巖已進(jìn)入塑性區(qū)，深部8m和10 m圍巖始終具有較強(qiáng)的承載能力。輔運(yùn)副巷經(jīng)歷二次采動影響后，頇底板移近量為390 mm，兩幫移近量為280 mm。

關(guān)鍵詞  采動應(yīng)力  巷道支護(hù)錨桿索支護(hù)預(yù)緊力  巷道圍巖應(yīng)力  數(shù)值模擬

中圖分類號TD353    

    為了研究錨桿錨索對二次動壓留巷的支護(hù)效果，本文以大同麻家梁煤礦14102工作面和14103工作面回采期間對14103輔運(yùn)副巷的動壓影響為基礎(chǔ)，研究高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索對巷道圍巖的支護(hù)效應(yīng)。

1  生產(chǎn)地質(zhì)條件

    麻家梁煤礦產(chǎn)量1200萬t/a，目前主要開采4#煤層，4#煤層埋深約600 m。14102工作面和14103工作面屬于麻家梁煤礦一采區(qū)，煤層厚度約10 m，開采方式為綜放開采。由于老頂強(qiáng)度高、厚度大，在工作面回采期間，臨空巷道變形十分嚴(yán)重。尤其是受相鄰工作面回采的滯后采動應(yīng)力影響，巷道發(fā)生強(qiáng)烈變形，兩幫移近量超過1.5 m，底鼓量超過2m．需要進(jìn)行大量的維修，部分巷道由于維修量太大而被迫廢棄。

    14102和14103綜放工作面采高3.5 m，放煤高度6.5 m，14102膠運(yùn)巷距離14103輔運(yùn)巷的距離為20 m，但由于14103輔運(yùn)巷掘進(jìn)期間變形較大，已被廢棄，在距離該巷道40 m位置又重新掘進(jìn)了14103輔運(yùn)副巷。14103輔運(yùn)副巷即受14102工作面回采影響，又受14103工作面回采的影響。巷道及工作面布置見圖1所示。

    麻家梁煤礦14103工作面附近4#煤層頂?shù)装逋暾�性較好，其頂板以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和中粒砂巖為主，厚層狀，膠結(jié)致密；底板以細(xì)砂巖、粉砂巖和碳質(zhì)泥巖為主。通過地質(zhì)力學(xué)測試，煤層強(qiáng)度平均為17.62 M Pa，最大水平主應(yīng)力為26.26 M Pa；垂直應(yīng)力為15.80 M Pa。

2數(shù)值模擬分析

2.1  數(shù)值模型建立

    數(shù)值模擬中錨桿、錨索采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬，錨桿彈性模量為200 G Pa，屈服強(qiáng)度1500 M Pa，抗拉強(qiáng)度700 M Pa，長度為2.4m，直徑為22mm；錨索彈性模量為195GPa，長度為8.3m，直徑為22mm，破斷力為600kN。煤巖體采用Mohr-Coulomb（莫爾一庫倫）本構(gòu)模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立麻家梁煤礦14103輔運(yùn)副巷的數(shù)值計(jì)算模型。模型初始應(yīng)力按照現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果施加，位移邊界條件為四周采用簡支，下表面固支，上表面為自由面。

2.2數(shù)值模擬分析

    在相同支護(hù)密度前提下，模擬不同支護(hù)參數(shù)對支護(hù)應(yīng)力場中圍巖應(yīng)力分布特征的影響。從而分析支護(hù)應(yīng)力場與圍巖應(yīng)力場之間的相互作用關(guān)系，并確定麻家梁煤礦14103輔運(yùn)副巷合理的支護(hù)參數(shù)。

    模擬錨桿施加20 k N、40 k N、80 k N后的預(yù)緊力形成的應(yīng)力場分布，在此，將錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中形成的應(yīng)力場稱為錨桿在圍巖中產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場。不同錨桿預(yù)緊力條件下錨桿在圍巖中產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場分布模擬結(jié)果見圖2。

    預(yù)緊力為20 k N時(shí)，頂板和兩幫錨桿預(yù)應(yīng)力都未能擴(kuò)散到錨桿整個(gè)長度范圍，頂部錨桿僅在錨桿錨固段附近和錨桿尾部0.5 m范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散較為良好，且?guī)r體內(nèi)部壓應(yīng)力值較低。當(dāng)預(yù)緊力為20 k N時(shí)，巷道圍巖最大壓應(yīng)力為0.14 M Pa，頂板兩根錨桿之間煤巖體內(nèi)壓應(yīng)力值僅為0.08 M Pa；當(dāng)預(yù)緊力為40 k N時(shí)，巷道圍巖最大壓應(yīng)力為0.24 M Pa；當(dāng)錨桿預(yù)緊力增大到80 k N時(shí)，巷道圍巖最大壓應(yīng)力為0.37 M Pa，壓應(yīng)力擴(kuò)散范圍在長度方向?yàn)殄^桿整個(gè)長度范圍內(nèi)，寬度隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加而增大，頂板兩根錨桿之間煤巖體內(nèi)壓應(yīng)力值增加到0. 25 M Pa。

    因此，隨著錨桿預(yù)緊力增大，圍巖內(nèi)壓應(yīng)力范圍和強(qiáng)度不斷增大，明顯改善了圍巖的受力狀態(tài)，形成了良好的支護(hù)應(yīng)力場，能夠提高巷道抗擾動能力，更好地保持巷道圍巖的完整性。

3二次采動影響下巷道支護(hù)效應(yīng)分析

 3.1  留巷支護(hù)方案

    為了很好地控制巷道變形和優(yōu)化巷道支護(hù)應(yīng)力場，根據(jù)高強(qiáng)度一次支護(hù)的原則，提出合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，確定14103輔運(yùn)副巷支護(hù)方案如圖3所示。

  巷道采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿強(qiáng)度為500 M Pa。錨桿配合150 mm×150 mmx10 mm拱形托盤和w鋼帶支護(hù)頂板及幫部；頂板采用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，兩幫采用菱形金屬網(wǎng)。頂錨桿間排距940 mm×800 mm，一排6根錨桿；幫錨桿間排距1000 mm×800 mm，一排5根錨桿；錨桿扭矩不低于400N．m。

    頂錨索采用移22 mm×7300 mm、1×19結(jié)構(gòu)的鋼絞線錨索，錨索托盤尺寸為300 mm×300mm×16 mm;間排距為1800 mm×1600 mm，每排布置3根錨索；幫錨索規(guī)格為22 mm×5300mm，間排距1000 m m×800 mm，煤柱側(cè)幫每排布置3根錨索，工作面?zhèn)让颗挪贾?/font>2根錨索，設(shè)計(jì)錨索預(yù)緊力為250 k N。