王庄煤矿9105工作面回风顺槽锚杆支护优化研究

2022-07-05申李华

山西煤炭 2022年2期

申李华

(山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿,山西长治 046031)

煤矿生产过程中广泛使用的锚杆支护技术[1]不但可以提高巷道的安全稳定性,节省巷道使用成本,而且能够加快施工进度,节省企业施工成本,具有操作简单、使用方便的优点。国内外学者对锚杆锚固长度对巷道稳定性的影响进行了广泛研究。曹刚等[2]提出在锚杆支护时要结合围岩等特征选取锚固长度;李福海等[3]以锚杆弹性极限承载力公式为基础,分析推导出锚杆锚固长度临界值la和界面剪切刚度k1的计算表达式;刘超等[4]研究发现，极限抗拔承载能力随锚固段长度的增加而增加;姚强岭等[5]提出树脂锚固长度的增加能够提高锚固体承载能力;王琼洋等[6]提出可以利用超声导波在锚杆锚固段中的群速度来检测锚固质量;张耀升等[7]明确了注浆岩锚在半无限锚固长度下的受力机理;张福明等[8]提出了岩石中拉力型锚杆临界锚固长度的判别方法;黄明华等[9]基于锚固界面的一种非线性剪切滑移模型,采用荷载传递方法分析了锚固长度对锚杆受力特性的影响;方文凯等[10]采用数值模拟的方法,探讨了锚杆(索)长度及布设间距的优化取值问题。通过不同锚固长度等效替代的方法可以找出一种既满足施工简便性要求,又能安全锚固的方案。

为了解决王庄煤矿锚杆锚固长度长、施工难度大的情况,本文以王庄煤矿9105工作面为工程背景,根据工程地质条件确定锚杆支护方式,根据原支护方案对锚杆的锚固长度进行优化[11],利用UDEC数值模拟软件分析了锚杆在不同锚固长度下对巷道围岩稳定性的影响[12],同时在现场进行了试验验证。优化后的锚固长度可以满足巷道围岩稳定性要求。

1 工程概况

王庄煤矿9105工作面位于81采区,工作面地面标高为903～932 m,工作面标高为377～522 m,运输巷的走向长度为3 650.8 m,风巷的走向长度为3 578.9 m,风巷和运输巷的可采长度均为3 432 m,工作面倾斜长度为339 m,9105工作面设计采出量为1 030.56万t。9105工作面煤层平均厚度为6.52 m,老顶为细粒砂岩,层厚为0.45～9.80 m；直接顶为粉砂岩,层厚为0.77～5.82 m；煤层为3#煤层,层厚为6.03～7.00 m,直接底为泥岩,层厚为0.65～1.50 m,老底为细粒砂岩,层厚为2.65～3.30 m。工作面柱状图,如图1所示。

图1 9105工作面柱状图

2 数值模拟

2.1 支护方案的提出

试验采用数值模拟的方法。锚杆在锚固岩层中可能存在的情况包括:锚固端在大刚度单一厚岩层中、锚固端在小刚度单一厚岩层中以及锚固端在大刚度和小刚度相间的岩层中,为此试验设计的锚杆锚固端分3种情况。为了寻找最优锚固长度,设计自由段长度分别为1 m、1.5 m和1.4 m,锚固段长度分别为1 m、0.5 m和0.6 m的试验模型。锚杆为线弹性材料,在前期对围岩稳定性判别的基础上,利用大型数值计算软件UDEC模拟不同支护方案下巷道的稳定性。采用平面应变模型,模型尺寸为50 m×33 m,模型上方施加均布荷载模拟上覆岩层的压力。试验中锚杆锚固段处于7层围岩中,数值模型见图2。

图2 数值计算模型图

如图2所示,试验中设计的锚固段岩层包含7层,通过改变岩体物理参数来实现岩层厚度和特性组合的变化。当7层岩体参数都相同时,即为单一厚岩层,试验中分别模拟硬岩中锚固、较软岩层中锚固和软硬交替岩层中锚固3种情况,则锚固剂黏结锚杆和岩体的特性为f=0.2,c=2 kPa,f′=0.006 7,试验中p=5 MPa。数值模拟岩石参数如表1所示。

表1 数值模拟岩石参数

前期的现场测试表明,原支护方案下巷道可以维持稳定,在实际施工中锚固长度为1 m的锚杆施工难度大且锚固效果达不到实际要求。为了降低施工难度,提高施工效率,故需对锚杆锚固长度进行优化。根据锚杆黏锚力的研究结果,在模拟计算中,分析巷道在无支护(方案1)、原支护(方案2)及优化支护后(方案3)的巷道稳定性状况。巷道宽度为5.5 m,高度为3.45 m,顶板锚杆排宽0.9 m,锚索排宽2.7 m,距离巷道1.5 m,锚索之间的间距为2.5 m,如图3所示。在方案2中,巷道的顶板支护可以采用每排7根φ22 mm的螺纹钢锚杆,顶板锚杆左右间距850 mm,顶角锚杆距帮部200 mm,顶角锚杆向两帮倾斜15°,采用长度为7.3 m的φ18.9 mm锚索2根,锚索锚固长度为2 200 mm。两帮支护采用每帮4根φ22 mm的螺纹钢锚杆,锚杆上下间距为950 mm,锚杆锚固长度为500 mm和1 000 mm交替锚固。在方案3中,支护方式与方案2类似,区别在于锚杆锚固长度为600 mm。

(a)方案2的巷道支护布置图

2.2 方案1模拟结果分析

图4为无支护条件下,动态模拟巷道围岩位移过程中,不同时间的围岩状态模拟图。由图4可知,对比变化较为明显的3种效果图,发现围岩将从顶板首先冒落,随后围岩破坏区域扩大,帮部发生片帮和垮塌,最终巷道整体失稳。

(a)无支护时前期巷道围岩位移

2.3 方案2模拟结果分析

初始应力场平衡后,通过开挖和施工锚杆、锚索,进行后续巷道稳定性分析。为了能清晰掌握巷道的稳定性变化,通过绘制巷道围岩位移图、应力图及锚杆锚索受力图，以研究巷道围岩的稳定性状况,如图5所示。由图5分析可知,巷道在支护条件下可以维持巷道围岩的稳定,巷道的最大竖向位移约7 cm,发生在巷道顶板中央，最大水平位移发生在巷道帮部中央约为3.5 cm处。竖向应力分布在巷道顶部,呈半椭圆状,巷道顶板、底板出现明显的竖向应力卸压区。剪应力区域主要分布在巷道顶板两角斜向上方区域。锚杆最大荷载为7.35 t,锚索最大荷载为6.47 t,满足王庄煤矿9105工作面巷道围岩稳定性要求。

(a)巷道支护断面图

2.4 方案3模拟结果分析

方案3的模拟流程与方案2相同,在初始应力场平衡后,通过开挖和施作锚杆、锚索,进行后续巷道稳定性分析。为了能清晰掌握巷道的稳定性变化,通过绘制巷道围岩位移图、应力图及锚杆锚索受力图以研究巷道围岩的稳定性状况,如图6所示。数值模拟结果表明,巷道在方案3支护下可以维持巷道围岩的稳定,最大竖向位移发生在巷道顶板中央,其值约8.8 cm；最大水平位移发生在巷道帮部中央,其值约为4.5 cm。竖向应力在巷道顶部呈半椭圆状,巷道顶板、底板出现明显的竖向应力卸压区。剪应力区域主要分布在巷道顶板两角斜向上方区域,最大剪应力4.4 MPa。锚杆最大荷载为7.93 t,锚索最大荷载为6.98 t。

(a)巷道支护断面图

对比3种支护方案可知,方案1在巷道顶部两端由于矿压作用会发生应力集中现象,巷道会发生破碎直至坍塌,显然无支护巷道比较危险。方案2相较于方案3的位移、应力和剪切应力都小,效果相对较好,但二者差别不大。方案3不仅可以满足巷道稳定性的要求,而且可以加快施工进度,提高经济效益,故可优先采用方案3。综上分析表明,采用方案3可以完全满足巷道围岩的稳定性控制要求,故锚杆锚固长度可采用600 mm。

3 现场试验

结合方案3,对9105回风巷局部采用锚固长度为600 mm的锚杆进行标定试验后,在该巷道距巷道口150 m左右的区域内进行大量的锚杆测试,可得出部分锚杆数据。使用CMT12矿用锚杆弹性波无损检测仪进行检测,其中一个锚杆的固端反射时间为630 μs,底端反射时间为844 μs,基频为6.6 kHz,由这3个参数可算出,锚固长度为0.58 m,固结波速为3 383 m/s,荷载为47.39 kN,锚固质量为优。

使用CMT12矿用锚杆弹性波无损检测仪在王庄矿进行工业试验,如表2所示。在9105回风巷中通过寻找特征锚杆共测试了82根锚杆,其中顶锚杆测试了32根、帮锚杆测试了50根。使用CMT12矿用锚杆弹性波无损检测仪测出来的固结波速进行分析,可以得出该区域锚杆的锚固质量合格率可以达到95.1%。使用表2的测试结果与王庄矿压做比较发现二者基本一致,满足巷道围岩稳定性要求。