松散煤體預應力錨索全長錨固技術研究及應用

周學斌(淮北礦業股份有限公司渦北煤礦, 安徽 亳州 233600)

1 前言

極松軟易破碎厚煤層強度低、承壓能力弱,巷道圍巖的穩定性較差,掘進過程中煤頂冒落和迎工作面片幫十分嚴重,且隨著生產的進行,工作面回采巷道圍巖的承載系統組成、結構特征、力學性能及承受的載荷大小等均發生變化,對工作面回采巷道的穩定性有著極大的威脅[1-9]。因此,對極松軟易破碎厚煤層綜放工作面回采巷道穩定性的有效控制是一個亟待解決的問題。預應力錨索全長錨固技術由于其高強度、高剛度的特點,可以實現對松散煤體的及時支護,降低錨固結構整體支護過程中的預應力損失。面對日益復雜的采礦地質環境,研究、發展和應用松散煤體預應力錨索全長錨固技術對保障巷道安全具有重要的意義[10]。但常規預應力錨索全長錨固技術所采用傳統注漿料粘性低、流動性大,在極松軟易破碎厚煤層中已出現漏漿、錨固性低的問題,無法有效改變掘進過程中煤頂冒落和迎頭片幫。因此,本文針對渦北煤礦842風巷外段巷掘進期間發生的片幫冒頂現象,根據全長錨固錨索與巷道圍巖相互作用的特點,采用新型MZM-70無機注漿錨固料,對松散煤體預應力錨索全長錨固技術進行系統分析,并結合數值模擬方法對巷道圍巖變形破壞特征進行研究,最終形成842風巷外段的最優預應力錨索全長錨固支護方案。

2 工程概況

渦北煤礦84采區842工作面位于84采區中部,為84采區首采工作面,84采區842風巷外段巷道南起于842巖巷風巷,北至842風巷里段,西為843工作面,東為842機巷,是一段正在掘進施工的極松軟易破碎厚煤層巷道。巷道底板標高-818.4～-853.7 m,平均埋深836.05 m。842風巷外段布置82煤層中,巷道斷面為斜腿三心拱巷道,巷道凈寬4.8 m、凈高3.4 m。巷道采用平頂U型鋼棚+錨索支護,頂板錨索按“333”方式布置,規格:YMSφ21.8/6200 mm,間排距1 200×700 mm;幫部采用YMSφ21.8/4100 mm錨索進行支護;間排距1 200 mm×700 mm,布置在距底板300 mm、1 500 mm各1道,錨索按“323”方式布置,U型鋼棚選用36U型鋼支架,棚距700 mm,巷道支護參數如圖1所示。

圖1 原巷道支護設計斷面圖

842風巷外段采用平頂U型鋼棚+錨索支護,錨索是工程巖體加固的主要支護材料,具有錨固深度大、承載能力高、可施加較大預緊力的特點。而842風巷外段所在煤層埋深較大,煤體極松軟易破碎,掘進施工時頻繁片幫冒頂,巷道難以成形,端錨錨索支護極易產生錨固端頻繁失效、可錨性差,端部剪切破斷甚至彈出傷人等問題,使錨索材料性能難以充分發揮,增加潛在不安全因素。目前842風巷外段支護設計方案中對于端錨錨索支護出現了兩種結果:一是支護強度不足,巷道存在嚴重安全隱患;二是采取盲目增加錨固長度、提高支護密度、加大預緊力等措施,但依然沒有解決巷道頻繁片幫冒頂、變形大的支護難題。因此,提出了松散煤體預應力錨索全長錨固技術。

3 松散煤體預應力錨索全長錨固技術數值模擬研究

3.1 數值模型及參數確定

為分析在預應力錨索全長錨固條件下巷道的變形破壞特征,對842風巷外段工程地質條件做適當簡化,運用FLAC3D構建三維計算模型,進行數值分析,模型尺寸長×寬×高=100 m×80 m×100 m,模型上部邊界施加19.65 MPa的垂直荷載。數值模型如圖2所示,其中,8煤層單元設置為黑色,直接頂及直接底泥巖單元設置為深綠色,基本底細砂巖單元設置為青色,基本頂粉砂巖單元設置為紫色,巷道單元設置為紅色。巖體的力學參數根據室內試驗確定,具體見表1。

表1 煤巖體物理力學參數表

圖2 三維數值計算模型圖

考慮到FLAC3D中的Pile結構單元更能較真實地反映錨固界面的力學行為和預應力全長錨固錨索的受力特征,本次研究仍采用Pile結構單元來模擬錨索。本文采用樹脂錨固劑-新型無機材料組合的方式來實現松散煤體預應力錨索全長錨固技術,其實現方法如圖3所示,圖中藍色錨索端頭部分設置樹脂錨固劑段,預應力全長錨固錨索桿體部分設置新型無機材料錨固段,新型無機材料選用MZM-70無機注漿錨固料,具體步驟如下。

圖3 預應力全長錨固錨索支護實現方法

步驟1:在FLAC3D數值模型的指定位置采用Liner結構單元生成托盤構件,同時采用Pile結構單元生成錨索構件的分段1和分段2,托盤構件和錨索構件的連接部位采用剛性連接,分段1和分段2分別根據其黏結屬性賦予錨固界面參數,并在分段1和分段2上施加一對與預緊力大小相等、方向相反的節點力,具體方法如圖3(a)所示。

步驟2:運算平衡后,采用Pile結構單元生成錨索構件的分段3,移除錨索的節點力,并根據錨索分段3的黏結屬性賦予其錨固界面參數,具體方法如圖3(b)所示。

步驟3:運算平衡后,重新賦予新型無機材料錨固段錨索的錨固界面參數,具體方法如圖3(c)所示。

通過以上方法即可實現FLAC3D中的松散煤體預應力錨索全長錨固支護,此方法更符合現場實際工程中松散煤體預應力錨索全長錨固技術的支護流程。在數值模擬計算中,Pile結構單元用來模擬φ22/6 200 mm和φ22/4 100 mm型號的預應力全長錨固錨索,錨索的預緊力為60 kN,Liner結構單元用來模擬托盤,托盤的尺寸為300 mm×300 mm,具體錨索的輸入參數見表2、表3。

表2 錨索參數

表3 錨索托盤參數

3.2 預應力錨索全長錨固支護方案

為確定842風巷外段預應力錨索支護參數,模擬設置三種預應力錨索全長錨固支護方案,對比不同方案對842風巷外段圍巖穩定性的影響,最終確定預應力錨索全長錨固方案。方案一中每個斷面布置9根預應力錨索全長錨固,模擬方案如圖4(a)所示,方案二中每個斷面布置8根預應力錨索全長錨固,模擬方案如圖4(b)所示,方案二中每個斷面布置7根預應力錨索全長錨固,模擬方案如圖4(c)所示。圖中紅色部分為Pile結構單元模擬的φ22/6 200 mm 和φ22/4 100 mm型號的預應力全長錨固錨索。

圖4 風巷外段預應力錨索全長錨固數值模擬方案示意圖

3.3 842風巷外段支護效果分析

圖5和圖6所示分別為不同方案下842風巷外段圍巖垂直位移和水平位移分布云圖。從圖5不同支護方案下巷道圍巖垂直位移云圖中可以看出,842風巷外段巷道圍巖藍色到綠色漸近區域為負值區域,代表圍巖下降程度,主要分布于巷道頂板,云圖圖例藍色到綠色漸近變化幅度由-85 mm到0 mm,其中方案一中巷道頂板圍巖云圖藍色到綠色漸近變化幅度為-40 mm到0 mm,方案二中巷道頂板圍巖云圖藍色到綠色漸近變化幅度為-45 mm到0 mm,方案三中巷道頂板圍巖云圖藍色到綠色漸近變化幅度為-85 mm到0 mm。方案一中巷道頂板圍巖云圖藍色到綠色漸近變化區域大致分布于巷道頂板0 m至3 m范圍內,方案二中巷道頂板圍巖云圖藍色到綠色漸近變化區域與方案一相近,而方案三中巷道頂板圍巖云圖藍色到綠色漸近變化區域則大致分布于巷道頂板0 m至10 m范圍內。相較于方案一、方案二中的巷道頂板圍巖位移云圖變化,方案三中的巷道頂板圍巖位移的幅度及范圍均遠大于前兩者。同樣的,在圖5中,842風巷外段巷道圍巖綠色到紅色漸近區域為正值區域,代表圍巖上升程度,主要分布于巷道底板中,表示了巷道的底臌程度,云圖圖例綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增加到57 mm,其中方案一中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度為0 mm到47 mm,方案二中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增大到51 mm,方案三中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增大到57 mm。方案一中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區域大致分布于巷道底板0 m到7 m范圍內,方案二、方案三中巷道底板圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區域與方案一相近。相較于方案一、方案二和方案三中的巷道底板圍巖位移的幅度及范圍相差不大,巷道幫部及頂部支護參數的改變對巷道底板影響較小。

圖5 不同支護方案下巷道圍巖垂直位移云圖

圖6 不同支護方案下巷道圍巖水平位移云圖

從圖6不同支護方案下巷道圍巖水平位移云圖中可以看出,842風巷外段巷道圍巖水平位移以向右為正,綠色到紅色漸近區域為正值區域,代表巷道圍巖左幫變形程度,云圖圖例綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增加到67 mm,其中方案一中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度為0 mm到38 mm,方案二中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增大到42 mm,方案三中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化幅度由0 mm增大到67 mm。方案一中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區域大致分布于巷道左幫0 m到4.5 m范圍內,方案二、方案三中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區域與方案一相比逐漸增大,方案二、方案三中巷道左幫圍巖云圖綠色到紅色漸近變化區域分別分布于巷道左幫0～5 m、0～6 m。同樣的,在圖6中,842風巷外段巷道兩幫圍巖藍色到綠色漸近區域為負值區域,代表右幫圍巖變形程度,云圖圖例藍色到綠色漸近變化幅度由-63 mm到0 mm,其中方案一中巷道右幫圍巖云圖藍色到綠色漸近變化幅度為-32 mm到0 mm,方案二中巷道右幫圍巖云圖藍色到綠色漸近變化幅度為-33 mm到0 mm,方案三中巷道右幫圍巖云圖藍色到綠色漸近變化幅度為 -63 mm 到0 mm。方案一中巷道右幫圍巖云圖藍色到綠色漸近變化區域大致分布于巷道右幫0 m至4 m范圍內,方案二中巷道右幫圍巖云圖藍色到綠色漸近變化區域與方案一相近,而方案三中巷道右幫圍巖云圖藍色到綠色漸近變化區域則大致分布于巷道右幫0 m至5 m范圍內。相較于方案一、方案二中的巷道右幫圍巖位移云圖變化,方案三中的巷道右幫圍巖位移的幅度及范圍均遠大于前兩者。巷道兩幫圍巖位移變化幅度及范圍對比,巷道左幫圍巖位移變化幅度及范圍略大于巷道右幫圍巖。

結合圖5、圖6,形成不同方案下842風巷外段圍巖變形量變化曲線,具體如圖7所示。從圖7中可以看出,方案一中在巷道斷面布置9根預應力錨索時,巷道圍巖變形量較小,頂底板移近量為87 mm,兩幫移近量為70 mm;方案二中在巷道斷面布置8根預應力錨索時,經計算得出頂底板移近量增加至96 mm,兩幫移近量增加至75 mm,頂底板及兩幫變形量相比方案一分別增加了10.3%和7.1%,雖然頂底板及兩幫變形量有所增加,但增加幅度較小,其變形符合支護設計要求,能夠保證巷道圍巖穩定;而方案三中進一步減少錨索數量,在巷道斷面布置7根預應力錨索全長錨固時,頂底板及兩幫變形量明顯增加,頂底板移近量增加至142 mm,兩幫移近量增加至130 mm,頂底板及兩幫變形量相比于方案一分別增加了63.2%和85.7%,頂底板及兩幫圍巖變形相對較大,由此可以得出,選擇方案二的預應力錨索全長錨固布置方式時,842風巷外段圍巖的變形量符合支護設計的要求,相比于原支護方案提高巷道支護強度,控制圍巖變形,并且可有效減少錨索施工時間,從而提高掘進速度。

圖7 不同支護方案下巷道圍巖變形量

4 842風巷外段現場應用

通過數值模擬計算結果所得出的支護方案為選用新型大孔徑中空注漿全錨錨索對巷道斷面進行全長錨固,頂板錨索按“222”方式布置,新型大孔徑中空注漿全錨錨索規格為φ22/6200 mm(備用8.2 m、10 m),破斷力400 kN,索體中空結構,自帶注漿芯管,反向出漿,無需排氣即可全錨;錨索上部采用樹脂端錨,施加預應力,安裝后可以及時承載;中空錨索芯管孔徑增大,孔徑截面積提高70%,可顯著降低稠漿流動阻力。錨索間排距為1 800 mm×700 mm,中頂及右側錨索配合錨盤使用;左側錨索配合鎖梁使用(1梁1索鎖2棚),間隔布置?，F場備有8 200 mm、10 000 mm長錨索,根據煤厚變化情況及時調整,確保錨索生根于堅硬頂板深度<1.5 m。

幫部采用φ22/4100 mm的新型大孔徑中空注漿全錨錨索進行支護;間排距1 200 mm×700 mm;布置在距底板500 mm、1 500 mm各1道,錨索按“323”方式布置;距底板1 500 mm及肩窩錨索配合托盤使用;距底板500 mm錨索配合鎖梁使用,(1梁2索鎖4棚);鎖梁緊跟前探梁;每根錨索使用3卷樹脂錨固劑,巖體使用MSZ-2950型樹脂錨固劑、煤體使用MSZ-2550型樹脂錨固劑;預緊力巖體<100 kN(29 MPa)、煤體<60 kN(17.4 MPa)。注漿時選用ZBQ-8/7型礦用氣動注漿泵,注漿錨固材料選用MZM-70無機注漿錨固料,MZM-70無機注漿錨固料為高強注漿錨固料,克服了傳統注漿料黏性低、流動性大的缺點。842風巷外段平頂U型鋼棚支護及錨索加固支護布置如圖8所示。

圖8 842風巷外段平頂U型鋼棚+錨索加固支護示意圖

采用松散煤體預應力錨索全長錨固后,在巷道圍巖變形趨于穩定時,頂底板移近量約為86 mm,兩幫移近量約為68 mm,支護效果顯著,巷道變形較小,變形速度得到了有效控制。同時,通過對巷道圍巖支護方式的調整,使得每2個斷面從原來的18根錨索減少至14根錨索,錨索用量減少22.2%,節省大量錨索施工時間,推進了煤頂下極松軟易破碎巷道快速掘進水平,為礦井安全高效生產提供了有力的保障。

5 結論

(1)針對松散煤體普通端錨錨索支護極易產生錨固端頻繁失效、端部剪切破斷等問題,使錨索材料性能難以充分發揮,支護強度不足,巷道存在嚴重安全隱患,巷道存在頻繁片幫冒頂、變形大的難題,提出了松散煤體預應力錨索全長錨固技術。

(2)為了更好地實現理論研究與實際工程的有效對接,提出了一種較真實反映現場松散煤體預應力錨索全長錨固技術的數值實現方法,并通過模擬優化得出了842風巷外段最佳支護方案。

(3)通過現場實踐,842風巷外段最佳松散煤體預應力錨索全長錨固支護方案能夠使巷道圍巖變形控制在合理范圍內,支護區域內圍巖整體穩定,巷道支護效果顯著提高,同時大幅度提高了巷道掘進效率,進一步提高了我國極松軟易破碎厚煤層綜放面巷道掘進水平。