巷道围岩变形控制技术研究

2021-06-15任晋娟

煤 2021年6期

任晋娟

(山西高河能源有限公司，山西长治 046102)

我国煤炭资源丰富，煤炭储量位居世界第一，是我国能源储量的主体。少油、少气的现状致使煤炭一直是能源消耗的主体。据统计，我国约80%的掘进作业在煤层中，由于煤层岩性较软，使得掘进工作面巷道极易发生较大幅度的变形，严重威胁着矿山的正常生产。巷道支护对于煤层开采来说是一项关键技术，充分发挥支护的作用能够有效地降低围岩变形[1-2]。目前，不同矿井采用的锚杆支护方法不同，基于围岩分类以及经验计算得到的锚杆支护方法、基于理论计算方法得到的锚杆支护方法以及以现场监测数据为基础得到的锚杆支护方法各有其适用性。但经过实践证明，单独使用一项方法并不能达到理想的支护效果，此前孙守孝[3]为解决巷道支护密度大，支护成本高的问题，通过理论计算对锚杆、锚索间排距进行优化，通过现场监测发现在降低支护成本的同时巷道稳定。侯兴[4]为保障近距离下煤层巷道的稳定，采用“高强度、高预紧力锚杆”对巷道围岩进行控制支护。本文利用数值模拟软件对不同支护参数下巷道围岩的应力场分布进行研究，给出了巷道的支护方案，为矿井安全生产提供依据。

1 数值模拟分析

不同支护参数下应力场的分布以及计算通过数值模拟软件实现，对不同锚杆锚固方式下的围岩应力场进行分析，模拟结果如图1所示。

图1 为不同锚杆锚固应力场分布云图，从图中可以看出支护方式不同，应力场分布云图差异明显。采用端部锚固支护时，锚杆的作用范围较广，但是锚杆自由段中间位置应力较小；当采用加长锚固时，此时的锚杆预应力作用范围较端部锚固有了明显的减小，但应力区域的厚度有所增大；采用全长锚杆支护时，锚杆的作用范围较小，因此造成压应力范围的厚度较小。对比可以看出，全长锚固和加长锚固两种方式下的锚固效果都不如端部锚固方式。当树脂锚固剂固化后，适当提高预应力可以明显改善全长锚固和加长锚固锚杆的支护效果。通过采用这种结构，可适当减少锚杆长度。

图1 不同锚杆锚固应力场分布云图

对不同锚杆锚固应力场分布云图进行模拟，得到图2所示的结果。

图2 不同锚杆锚固应力场分布云图

从模拟图中可以看出，不同顶板角锚杆的角度不同，应力场分布有明显差异，但是又有共同点。当角锚杆与中部锚杆形成的应力范围出现叠加区域时，顶板处形成分布范围交广，厚度较大的应力范围，该范围可以覆盖锚固区的大多数面积，此时锚杆支护效果最好。当锚杆角度呈现降低趋势时，角锚杆形成的有效压应力区与中部锚杆形成的有效压应力区叠加明显。从图2(c)中可以看出，当角锚杆角度较大时，压应力叠加范围较小，当角锚杆角度较小时，压应力叠加区域范围较大，因此可以看出，巷道内进行锚杆支护时，最好以如图2(a)中所示呈垂直分布，根据实际经验以及现场施工需求，确保角度在15°以内。锚杆和毛笋支护下应力场分布云图类似，因此用同样的方法确定锚索的参数。一般而言，考虑到支护效果，应该综合考虑锚索的长度、直径、强度以及预应力等参数，高预应力可以有效控制围岩的受力变形，因此支护效果更佳。

2 支护设计研究

为了保证巷道支护设计的合理性以及有效性，规定以下设计原则：

1) 一次支护原则。为了避免反复支护造成的岩体裂隙发育，因此需要尽量保证一次支护，确保一次支护下就达到有效控制围岩变形的目的。一次支护原则下，不仅实现了一次性控制围岩变形的目的，而且确保了巷道、硐室的长期稳定性，减少了维修费用，确保了安全生产。此外，一次支护可以将破碎的顶板岩层和完整性良好的岩层连接起来，形成一体、稳固的支护，减少了二次支护下破碎岩体的裂隙扩展发育，因此一次支护效果最佳。

2) 高预应力和预应力扩散原则。锚杆支护必须保证足够的预应力，只有预应力达到一定值时，被动支护才可以转化为主动支护，支护效果才最佳，高预应力和预应力扩散原则需要保证锚杆一定的预应力的同时，可通过托板、钢带等构件实提高锚杆的预应力，扩大支护范围，提高支护的整体稳定性。

3) “三高一低”原则。“三高一低”原则是指支护是需要保证支护的强度、刚度以及可靠性较高，同时降低支护密度。降低支护密度的同时保证了支护强度，具有良好的经济效益。

4) 临界支护强度与刚度原则。临界支护强度与刚度原则需要保证支护的强度的刚度要大于临界支护强度的刚度值，才能保证支护的长期稳定性，起到控制围岩变形破话的目的。

5) 相互匹配原则。锚杆锚索支护过程中需要确保各个零件部位相互匹配，实现时间与空间上的匹配，最大限度的发挥各个零件功能，实现良好的支护效果。

6) 可操作性原则。锚杆锚索的尺寸应该适应巷道参数，确保在井下可以完成支护操作，可操作性原则可以提高支护效率。

对于石灰岩顶板，属于一类稳定顶板，直接顶板石灰岩厚度2.7 m，原则不用支护，由于煤层顶板中，两层石灰岩夹着一层2 m后泥岩，岩性差别较大，变形不协调时，容易顶板岩层产生离层，发生冒顶，因此原有支护下采用锚索加强支护方式。锚索排距参数确定如下：考虑到顶板的岩石性质的不同，以及锚固段的长度等因素，因此采用直径为15.2 mm、长为7 200 mm的锚索，锚索钻孔的直径为28 m，采用“三三”布置，锚索的间排距为1 800 mm×4 000 mm，确保锚杆的锚固力大于200 kN，预紧力大于120 kN，每根锚杆需要配合使用3个锚固剂进行锚固。

煤柱帮锚杆支护参数确定如下：考虑到支护强度，选择强度大于335 MPa，长2 000 mm、D18 mm的左旋螺纹钢锚杆进行支护。锚杆的间排距为800 mm×800 mm，每排各布置3根锚杆，每根锚杆配合使用一个树脂锚固剂，为了确保锚杆的支护强度，锚杆的预紧力应该大于150 N·m，锚固力大于80 kN，与锚杆配合使用的托板高度需大于36 mm。支护过程中需要用到网片，网片的规格如下：网片呈现菱形结构，菱形状的网孔规格为50 mm×50 mm，整个网长2 700 mm，宽1 000 mm，网片贴着煤壁进行安装，保证搭接长度大于200 mm，同时用间距为200 mm的铁丝绑扎进行牢固。支护涉及到的钢筋梯子梁规格如下：钢筋梯子梁的直径为14 mm，宽度为80 mm，长度为2.4 m，采用圆钢加工而成。

工作面帮支护参数设计如下：工作帮的锚杆选择强度大于335 MPa，长2 000 mm、D18 mm的左旋螺纹钢锚杆进行支护。锚杆的间排距为800 mm×800 mm，每排各布置3根锚杆，每根锚杆配合使用一个树脂锚固剂，为了确保锚杆的支护强度，锚杆的预紧力应该大于150 N·m，锚固力大于80 kN，与锚杆配合使用的托板高度需大于36 mm。与锚杆相匹配的螺母型号为M20，与螺母匹配的托盘尺寸为120 mm×120 mm×10 mm，托盘的钢号为Q235，同时需确保其高度大于36 mm。顶板支护方案如图3所示。