武沖鋒(晉能控股陽泉固莊煤業(yè)有限公司, 山西 陽泉 045060)

1 前言

近年來,隨著礦井開采深度不斷延伸,深部巷道支護難度不斷加劇,尤其是深部大斷面巷道的支護問題成為研究的熱點。 目前我國相關(guān)專家學者關(guān)于此問題做了大量研究,謝正正針對深部巷道頂板跨界錨固問題展開了研究,研究出跨界錨固措施并進行了現(xiàn)場實施[1];單仁亮等人針對國內(nèi)目前巷道支護技術(shù)進行了歸納總結(jié)[2];李明明對深部軟巖支護進行了理論分析,采用力學分析的方法闡述了軟巖中圍巖變形失穩(wěn)機理,為后期制定支護措施奠定了堅實的理論基礎(chǔ)[3]。 其他專家學者針對支護措施分別展開了先關(guān)研究[4-13]。 但之前的研究主要為理論研究或者現(xiàn)場工程實踐,針對于深部大斷面巷道支護措施未進行力學分析、新技術(shù)應(yīng)用、效果考察綜合性研究。

山西某礦2508 工作面為深部開采煤層,巷道支護初期出現(xiàn)巷道變形嚴重的現(xiàn)象,為解決該問題,現(xiàn)采用理論分析、數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場應(yīng)用的方法進行了研究。

2 工程概況

某礦在采工作面為2508 工作面,主采煤層5#煤層,平均厚度4.9 m,傾角為2° ～5°。 煤層頂板為泥巖,平均厚度5.4 m;煤層底板為砂質(zhì)泥巖,平均厚度3.8 m;巷道圍巖硬度較低,掘進過程中出現(xiàn)圍巖破碎嚴重現(xiàn)象。 巷道頂板巖層中軟巖厚度為30 m以上,巖層穩(wěn)定性較差,區(qū)域內(nèi)無斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造,賦存穩(wěn)定。 2508 工作面走向長度1 269 m,切眼長度190 m,工作面平均埋深681 m,巷道掘進采用綜合機械化掘進法,整體效率比較高。 2508 工作面運輸順槽斷面為矩形斷面,寬度5.6 m,高度3 m,整體斷面比較大。 巷道圍巖支護措施為中空注漿支護,錨桿為中空注漿錨桿,錨桿底部使用漲殼式或者錨固劑進行固定。 為確定合理支護措施,需針對不同錨固方式下巷道斷面圍巖應(yīng)力分布情況進行數(shù)值模擬研究。 為保證數(shù)值模擬研究的準確性,支護區(qū)域內(nèi)煤層頂?shù)装鍘r性描述及進行數(shù)值模擬使用的煤巖力學參數(shù)見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

3 組合錨注技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)錨桿+錨索組合支護技術(shù)實施過程中,將錨索插入鉆孔底部基巖,底部放置錨固劑,錨索底端安裝鋼托板,通過錨索將層狀巖層錨固為一體,底部錨固劑和另一端托盤之間為無填充,導致單個錨桿通過自身剛度承載支撐巖層之間豎向位移。 組合錨注技術(shù)所使用的錨桿為中通錨桿,錨桿施工后將托盤緊固后在錨桿中注入漿液,漿液返回后填充鉆桿和巖壁之間空隙,將鉆桿全段和巖體連接成為一體。組合錨桿進行支護過程中,由于錨固劑和底部托盤之間注入混凝土,混凝土凝固后可以有效的將錨桿和孔壁之間的縫隙填充,增加了錨桿支護的整體性;同時,由于中空注漿錨桿本身具有一定的強度,抗拉能力較強,注入混凝土后,抗拉強度整體增強,且錨固區(qū)域穩(wěn)定性增加,同時增加了錨固的抗剪能力,可以抵御巖層水平位移所產(chǎn)生的剪切力,從而增強錨固技術(shù)整體強度。

目前,組合錨注技術(shù)實施主要采用兩種中空注漿鉆桿,分別是漲殼式中空注漿錨桿和端錨式中空注漿鉆桿。 兩種注漿錨桿施工流程如圖1 所示。 漲殼式中空注漿錨桿是通過在錨桿底部加裝漲殼裝置,漲殼裝置和螺紋錨桿連接,且其本身為單向移動,當漲殼裝置被伸到鉆孔底端時,進行注漿,漿液沿著中空螺紋鉆孔到達底端,通過底端注入孔壁,孔口進行封孔,觀測返漿液管情況,當返漿管大量返漿為注漿工藝完畢。 漲殼式中空注漿錨桿施工工藝具有操作簡單,施工速度效率高的特點,由于底部為機械式的漲殼裝置,因此極限拉拔應(yīng)力比較小。 通過測試大小約為20 MPa,因此,用于左右?guī)椭ёo。

圖1 注漿錨桿施工流程圖

端錨式中空注漿錨桿是通過在鉆孔底部加入樹脂錨固劑,然后插入中空螺紋鉆桿,孔口位置進行封孔,從鉆桿底部注入漿液,知道返漿管開始大量返漿,則錨固工序完成。 端錨式中空注漿錨桿施工工藝同漲殼式中空注漿錨桿施工工藝對比該工藝施工效率較低,由于底端錨固劑采用化學方法,抗拉強度增加,可以錨固極限拉拔應(yīng)力達到30 MPa,因此該技術(shù)主要用于頂板錨固支護中。 兩種施工工藝如圖2 所示。 底端錨固劑采用Z2355 樹脂藥卷,注入的漿液為硅酸鹽水泥漿液,硅酸鹽水泥中加入適量速凝劑,保證注漿作業(yè)完成后可以快速凝固,最終整體性較好。

圖2 中空注漿錨桿施工工藝

巷道支護措施如圖3 所示,巷道頂板設(shè)置錨桿3 根,均勻分布,錨桿間距為2 m,使用端錨式中空注漿鉆桿;左右?guī)头謩e設(shè)置錨桿2 根,均勻分布,使用漲殼式中空注漿錨桿。 所使用的錨桿均為φ25 mm×6 m 規(guī)格,施工鉆孔為φ40 mm。

圖3 支護措施設(shè)計圖

4 錨注技術(shù)數(shù)值模擬分析

普通錨桿支護僅僅在底部裝錨固劑,使用普通錨桿進行錨固,導致錨桿受力點在錨桿底部,容易出現(xiàn)脫落及中間斷裂的現(xiàn)象。 支護措施實施后,錨桿承受軸向應(yīng)力載荷,當應(yīng)力超過錨桿材料彈性極限時,錨桿便會斷裂,頂板垮落,左、右?guī)推瑤汀?/p>

為定性研究分析中空注漿錨桿和普通錨桿支護后錨固區(qū)域應(yīng)力分布圖,采用軟件COMSOL 進行錨固區(qū)域應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究,模型尺寸為2508 工作面運輸順槽斷面,模型寬度20 m,高度10 m,巷道斷面寬度5.6 m,高度3 m。 根據(jù)埋深-應(yīng)力擬和公式計算得到2508 工作面運輸順槽埋深位置最大應(yīng)力24.79 MPa,最小應(yīng)力14.691 MPa;采用頂板應(yīng)力監(jiān)測法監(jiān)測得該區(qū)域平均應(yīng)力20.88 MPa,因此模擬過程中頂板邊界載荷設(shè)置為20.88 MPa。 其他力學參數(shù)為現(xiàn)場取巖層樣本,在實驗室中測得頂板、底板、煤層基本應(yīng)力參數(shù)。

假設(shè)煤層和頂?shù)装鍑鷰r為均勻介質(zhì),模型左、右邊界為固定約束,巷道頂板邊界應(yīng)力載荷為20.88 MPa,在邊界載荷的作用下,運算7 d 模型應(yīng)力分布情況。 模擬得到兩種錨固技術(shù)應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖如圖4 所示。

圖4 分別模擬了中空注漿錨桿和傳統(tǒng)注漿錨桿支護措施完成后地應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖。 根據(jù)圖4(a)中應(yīng)力分布云圖可知,端部錨固實施后,距離巷道頂板6 m 位置點出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中區(qū)域,應(yīng)力最大值達到7 MPa,應(yīng)力集中區(qū)域中心點為錨桿底部位置,該位置點為錨固劑放置點;三根錨桿之間位置同樣出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中區(qū)域,距離頂板1 ～4 m豎向區(qū)間范圍內(nèi),圍巖應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力大小均為7 MPa,0 ～ 1 m 豎向區(qū)間范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力為3 ～4 MPa。如果距離頂板6 m 位置點巖層比較軟,便會的出現(xiàn)該位置點巖層大面積破碎的現(xiàn)象,隨著時間的推移,巷道頂板便會出現(xiàn)垮落;錨桿承受軸向單向拉應(yīng)力,固定約束點為錨桿底部錨固劑位置點,錨桿另一端安裝了托盤,托盤之間設(shè)置了錨網(wǎng);錨桿整體存在兩個固定端,在地應(yīng)力作用下,錨桿中部位置會出現(xiàn)位置點不確定性斷裂。 3 根錨桿斷裂順序也存在不確定性。 左右兩幫錨桿應(yīng)力集中點為錨桿底部區(qū)域,底部區(qū)域承受的最大應(yīng)力約為4 MPa,影響范圍約為2 m,左右兩幫錨桿主要承受圍巖水平位移產(chǎn)生的應(yīng)力載荷,巖體整體水平位移較小,因此左右兩幫錨桿底部應(yīng)力載荷峰值比豎向錨桿底部應(yīng)力載荷峰值低。 圖4(b)中頂板位移量分布云圖可知,頂板最大位移量140 mm,頂板已經(jīng)出現(xiàn)嚴重下沉,局部破碎嚴重。 根據(jù)圖4(c)中空注漿錨桿錨固應(yīng)力分布云圖可知,采用中空注漿錨桿支護后,頂板整體未出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中區(qū)域,頂板應(yīng)力最大區(qū)域為距離巷道頂板0 ～2 m 區(qū)域范圍,應(yīng)力峰值約為1 MPa;左、右兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域為距離左、右?guī)? ～3 m 區(qū)域范圍,應(yīng)力峰值為7 MPa,出現(xiàn)以上情況原因為中空錨桿施工完成后注漿作業(yè)形成的應(yīng)力分散效應(yīng),該效應(yīng)無法緩解水平位移產(chǎn)生的應(yīng)力載荷,因此出現(xiàn)左右?guī)蛻?yīng)力集中區(qū)域大,頂板應(yīng)力均勻的現(xiàn)象。 圖4(d)巷道圍巖位移量分析,頂板最大位移量為60 mm,左右?guī)臀闯霈F(xiàn)位移量比較大的現(xiàn)象,巷道圍巖整體穩(wěn)定。

綜上所述,使用傳統(tǒng)端部錨固技術(shù)時,應(yīng)力集中點在錨桿端部,中部分散一定的應(yīng)力,由于應(yīng)力出現(xiàn)點狀連接,錨桿錨固區(qū)域圍巖呈現(xiàn)分散現(xiàn)象,整個區(qū)域內(nèi)圍巖失穩(wěn)概率比較大,一旦錨桿從中部拉斷,錨固工程便會失去作用。 當使用中空錨桿錨固時,由于錨桿和圍巖之間填充了水泥漿,形成整體作用,有效控制了危險豎向應(yīng)力集中,位移過大的現(xiàn)象,中空注漿錨桿錨固效果明顯。

5 現(xiàn)場應(yīng)用及效果考察

根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果表明,中空注漿錨桿有效控制巷道圍巖載荷對錨桿的破壞作用。 為確定數(shù)值模擬運算的可靠性,現(xiàn)分別對現(xiàn)場實施兩種支護措施的巷道進行效果考察。

5.1 現(xiàn)場應(yīng)用

2508 工作面運輸順槽掘進過程中采用漲殼式中空注漿結(jié)合端錨式中空注漿錨桿支護。 頂板位置采用端錨式中空注漿錨桿,兩幫采用漲殼式中空注漿錨桿,兩幫主要地應(yīng)力為水平位移,豎向地應(yīng)力比較小,漲殼式中空注漿錨桿完全可以滿足支護要求,且漲殼式中空注漿錨桿工藝施工效率高,可以大大提高整體支護效率,保證支護在安全的前提下提高整體效率。

為提高整體支護強度,巷道斷面頂板設(shè)計錨桿6 根,每根間距1 m,兩幫設(shè)計錨桿均為3 根,規(guī)格均為φ25 mm×6 m 型漲殼式中空錨桿,錨桿底部安裝托盤,托盤規(guī)格20 cm ×20 cm ×1 cm。 錨桿排間距設(shè)置為1 m,施工完成錨桿后安裝錨網(wǎng),并進行噴漿作業(yè)。

噴漿材料為混凝土,主要原料為水泥、砂子、水。水泥與砂子比例為1∶2。 水泥為普通硅酸鹽水泥,編號不低于325,使用前進行檢查,不得存在受潮結(jié)塊的現(xiàn)象。 砂子選用中砂,細度模數(shù)大于2.6,為保證噴漿完成后巷道整體性,混凝土中加入適量速凝劑,速凝劑選用鋁酸鹽粉末。

噴漿泵采用PZ -5 型噴射裝備,工作壓力0.6 MPa,輸送管內(nèi)徑50 mm。

5.2 效果考察

為研究中空注漿錨桿施工支護效果,現(xiàn)分別對中空注漿錨桿支護區(qū)域頂板情況進行觀測,安裝頂板離層儀,頂板離層儀安裝間距50 m,考察支護范圍為300 m,對中空注漿錨桿施工區(qū)域頂板和普通錨桿支護區(qū)域數(shù)據(jù)進行對比分析,對比周期為14 d。對比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同區(qū)域頂板位移量統(tǒng)計圖

中空注漿錨桿施工區(qū)域,第1 d 深部、淺部位移量均為0;0 ～4 d,深部、淺部位移量出現(xiàn)小幅度變化,淺部位移量為2 mm,深部位移量為8 m,變化幅度比較小;5 ～10 d,深部位移量增加到31 mm,淺部位移量增加到7 mm;11 ～14 d,深部位移量增加到43 mm,淺部位移量增加到12 mm。 以上3 個時間段內(nèi),中部時間段增長率比較大,初期位移量比較小,位移量整體區(qū)域平穩(wěn),變化量較小。 使用普通錨桿支護措施,第1 d 深部位移量達到18 mm,淺部位移量均為0;0 ～4 d,深部位移量變化比較大,從18 mm增加到81 mm,淺部位移量從0 mm 增加到21 mm,波幅較小;5 ～9 d,深部位移量增加到128 mm,淺部位移量增加39 mm;10 ～14 d,深部位移量增加到143 mm,淺部位移量增加到60 mm。 以上3 個時間段內(nèi),初期位移量波動較大,中期波動較小,后期趨于平穩(wěn)。 通過對比分析,使用普通錨桿支護后,前期、中期深部位移量均比中空組合錨桿支護措施實施區(qū)域位移量大,后期均區(qū)域穩(wěn)定,但普通錨桿支護區(qū)域深部位移量峰值為143 mm,中空錨桿支護措施實施區(qū)域深部位移量峰值為43 mm,相差懸殊。

通過后期頂板離層儀效果考察結(jié)果綜合分析可知:2508 運輸順槽采用傳統(tǒng)底端錨固劑支護措施時,支護區(qū)域內(nèi)深部最大位移量143 mm,淺部最大位移量43 mm;采用漲殼式中空注漿錨桿和端錨式中空注漿鉆桿綜合支護的巷道區(qū)域,頂板深部最大位移量60 mm,淺部最大位移量12 mm。 通過定量分析,中空注漿錨桿支護效果明顯。

對支護區(qū)域進行宏觀考察,現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)錨桿斷裂、脫錨等錨固質(zhì)量問題,同時未出現(xiàn)明顯變形情況。 綜上所述,中空注漿錨桿支護措施效果明顯。后期出現(xiàn)斷層、褶皺等構(gòu)造區(qū)域可通過增加中空注漿錨桿密度對支護措施進行優(yōu)化。

6 結(jié)論

為解決山西某礦2508 工作面運輸順槽巷道變形嚴重問題,分析了圍巖情況,采用組合錨桿支護技術(shù)對該區(qū)域進行支護,運用數(shù)值模擬研究的方法對組合錨桿支護技術(shù)和普通錨桿支護技術(shù)實施巷道應(yīng)力分布情況進行模擬研究,對兩種支護措施實施區(qū)域頂板變形情況進行后期效果考察,通過理論研究和現(xiàn)場實施研究,得出以下結(jié)論:

(1)巷道圍巖變形嚴重原因為埋深大、地應(yīng)力大、斷面大和圍巖軟。

(2)數(shù)值模擬研究結(jié)果分析中空注漿錨桿錨固技術(shù)有效控制巷道圍巖受力不均勻的情況,支護效果明顯。

(3)后期效果考察結(jié)果顯示,傳統(tǒng)錨桿錨固支護區(qū)域深部最大位移量163 mm,中空注漿錨桿支護區(qū)域深部最大位移量60 mm,組合錨注支護措施效果明顯。

綜上所述,組合錨桿支護技術(shù)穩(wěn)定性高,安全性能良好,具有一定的推廣價值。