回采巷道让压锚索支护机理研究.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０２􀆽 ０６ 作者简介王李刚１９７９ － ꎬ男ꎬ山西潞城人ꎬ助理工程师ꎬ从事生产技术工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０７. ０１３ 回采巷道让压锚索支护机理研究 王李刚ꎬ李鹏俊 潞安环能股份公司 王庄煤矿ꎬ山西 长治 ０４６０３１ 摘 要厚煤层回采巷道顶煤较厚ꎬ动压作用后离层量大ꎬ使锚索产生破断ꎬ让压锚索可以缓解此类现象ꎮ 文章采用数值模拟软件 ＦＬＡＣ３Ｄ分析了王庄煤矿 ８１０７ 工作面运输巷锚索破断机理ꎬ以让压管力学试验和数 值模拟确定了让压锚索参数ꎮ 工业性试验表明１０ ｃｍ 高强双泡让压管与巷道锚索匹配性较好ꎬ巷道围岩 变形得到了有效控制ꎮ 关键词让压锚索ꎻ顶板离层ꎻ数值模拟ꎻ巷道支护ꎻ围岩 中图分类号ＴＤ３５３ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００７􀆽 ００３７􀆽 ０３ １ 锚索破断分析 １. １ 地质概况 王庄煤矿 ８１０７ 工作面运输巷位于 ３ 号煤层ꎬ沿 底掘进ꎬ宽 高 ＝５. ５ ｍ ３. ５ ｍꎬ煤厚 ６. ４５ ｍꎬ直接 顶为 ２. ５４ ｍ 泥岩ꎬ基本顶为 ３. １ ｍ 厚的细砂岩ꎬ其 岩层柱状图如图 １ 所示ꎮ 巷道支护方案如图 ２ 所 示ꎮ 巷道留有 ３ ｍ 左右的顶煤ꎬ顶板锚杆长度为 ２. ４ ｍꎬ帮锚杆长度为 ２. ２ ｍꎬ锚索长度为 ８. ３ ｍꎬ“３ －２ － ３”布置ꎬ锚索直径为 １８. ９ ｍｍꎬ破断载荷为 ４０９ ｋＮꎮ 巷道受到采动影响后ꎬ现场矿压观测表明ꎬ 围岩变形量较大且变形持续时间较长ꎬ部分锚索出 现破断现象ꎮ 图 １ 岩层柱状 １. ２ 锚索受力分析 为了分析巷道锚索破断原因ꎬ依据巷道地质特 点及支护形式ꎬ采用 ＦＬＡＣ３Ｄ建立数值模型ꎬ如图 ３ 所示ꎬ锚索采用内置单元 ｃａｂｌｅ 进行模拟ꎬ其初始工 作载荷为 ２１０ ｋＮꎬ监测巷道开挖及回采阶段顶板锚 索受力ꎬ得到如图 ４ 所示的受力曲线ꎬ由此可知ꎬ巷 道开挖后ꎬ在初始阶段ꎬ围岩变形能释放ꎬ变形增长 较快ꎬ锚索受力曲线呈现快速增长ꎬ达到 ２３４ ｋＮꎬ当 围岩变形趋于稳定时ꎬ锚索受力增大速度放缓ꎬ最终 趋于稳定ꎬ掘巷稳定后ꎬ在 ３ － ２ － ３ 锚索布置中ꎬ锚 索受力由大到小依次是三根锚索中里侧锚索、两根 布置锚索、三根锚索外侧两根锚索ꎬ锚索最大受力值 分别为２４２ ｋＮ、２４１. ２ ｋＮ、２３９. ２ ｋＮꎮ 这是由于在 掘巷阶段ꎬ顶板下沉一般呈现出巷道中部较大而两 侧较小的弧形分布ꎮ 在掘巷期间ꎬ锚索受力最大值都未达到其屈服 极限及破断载荷ꎬ说明原有支护基本可以满足巷道 掘巷期间的支护要求ꎮ 随着工作面的回采ꎬ巷道围 岩受到较大的回采动压影响ꎬ支护体受力随着围岩 离层变形的增大出现快速增长ꎬ并相继达到锚索破 断载荷ꎮ 回采期间巷道顶板非采动侧最外侧锚索最 先出现破断ꎬ之后中部锚索出现破断ꎬ顶板采动侧锚 索最后出现破断ꎮ 在工作面动压影响下ꎬ虽然巷道 顶板采动侧围岩下沉量大于非采动侧ꎬ但是其主要 变形来自岩层的整体下沉ꎬ锚索支护范围岩层的离 层值由巷道浅部围岩及其深部围岩位移差所决定ꎬ 因此ꎬ在巷道支护实践中ꎬ应当注重并及时监测顶板 离层量的变化ꎮ 锚索全过程受力曲线表明ꎬ原有巷 道支护方案仅能满足巷道掘进过程中的支护需要ꎬ 在工作面采动后ꎬ支护体可能因为较低的延伸率而 破断失效ꎮ ７３ 实实用用技技术术 总第 ２５１ 期 ２ 让压锚索参数确定 ２. １ 让压管力学实验 为了缓解巷道锚索破断的情况ꎬ采用让压锚索 代替普通锚索ꎬ即在原有锚索托盘及锁具之间安装 让压管ꎬ 为了选取锚索相配套的让压管ꎬ 采用 Ｃ６４. １０６/１ ０００ ｋＮ型电液伺服万能试验机对单泡让 压管、双泡让压管以及高强双泡让压管进行力学性 能测试ꎬ图 ５ 为三种让压管试验前后实物图ꎬ图 ６ 为 让压管的载荷 － 变形曲线ꎮ 图 ２ ８１０７ 工作面运输巷道支护断面ｍｍ 图 ３ 数值模型局部支护 图 ４ 锚索受力曲线 根据让压管载荷 － 变形曲线可知单泡让压管 让压点 ＲＢ＝ １３０. ５０ ｋＮꎬ 最大让压行程 Ｄｍａｘ＝ ２３. ６ ｍｍꎻ双泡让压管让压点 ＲＢ＝ １３０. ８９ ｋＮꎬ最大 让压行程 Ｄｍａｘ＝３８. ２０ ｍｍꎻ高强双泡让压管让压点 ＲＢ＝２５７. ７６ ｋＮꎬ最大让压行程 Ｄｍａｘ＝４５. ８３ ｍｍꎮ 图 ５ 让压管试验前后对比 由试验结果可知ꎬ单泡让压管及双泡让压管让 压点大小基本相同ꎬ而高强双泡让压管具有较大的 让压点和让压行程ꎮ 顶板锚索安装时预紧力设计值 不低于 ２００ ｋＮꎬ单让压管及普通双让压管让压点均 低于设计值ꎬ让压结构在锚索施加预紧力的过程中 特别容易被压扁而不能发挥有效让压作用ꎮ 因此ꎬ 确定巷道锚索配套让压管为高强双泡让压管ꎮ ２. ２ 让压管长度确定 让压管长度的选择极为重要ꎬ锚索采用较短长 度让压管时ꎬ围岩高应力释放不充分ꎬ仍会出现锚索 过载现象ꎬ让压效果不明显ꎻ同样ꎬ让压管长度过长 也会带来种种问题ꎬ如让压管自身结构的稳定性较 差ꎬ锚索增阻缓慢导致围岩变形难以控制等问题ꎮ 因此ꎬ为了选取合理的让压管长度ꎬ采用数值模拟软 件 ＦＬＡＣ３Ｄ对比 ５ ｃｍ、１０ ｃｍ 和 １５ ｃｍ 高强双泡让压 管的围岩控制效果ꎮ 由于 ＦＬＡＣ３Ｄ中并没有让压结 构ꎬ因此巷道开挖后释放一定的围岩压力再进行支 护ꎬ图 ７ 和图 ８ 分别为工作面回采后巷道围岩垂直 位移以及水平位移云图ꎬ由图可知ꎬ让压管长度为 ５ ｃｍ、１０ ｃｍ 和 １５ ｃｍ 时ꎬ顶底板收敛量分别为 ５９４ ｍｍ、２０５ ｍｍ 和 ３３２ ｍｍꎬ两帮收敛量分别为 ４８３ ｍｍ、１４４ ｍｍ 和 ２６３ ｍｍꎬ结果表明ꎬ围岩变形量 并非随着让压管长度的增大逐渐减小ꎬ而是呈现出 先减小而后再增大的趋势ꎮ 让压管长度为 １０ ｃｍ 时ꎬ围岩变形云图分布较为对称ꎬ而其余两种长度让 压管支护过程中均出现了较为明显的非对称变形ꎬ 不利于巷道围岩稳定ꎮ 因此ꎬ确定巷道锚索采用长 度为 １０ ｃｍ 的高强双泡让压管ꎮ ３ 工业性试验 王庄煤矿 ８１０７ 工作面运输巷顶板锚索采用让 压管后ꎬ为了考察让压锚索控制围岩变形的效果ꎬ在 巷道中采用十字布点法观测围岩表面位移、采用液 压枕观测锚杆及锚索受力ꎬ验证采用让压锚索后巷 道支护系统的稳定性能ꎮ 围岩位移及支护体受力监 测结果如图 ９ 和图 １０ 所示ꎮ 由图可知ꎬ采用让压锚 索支护体系后ꎬ巷道围岩变形较小ꎬ支护体受力均低 于自身破断载荷ꎬ围岩稳定性得到较好控制ꎮ ８３ ２０２０ 年 ７ 月 王李刚等回采巷道让压锚索支护机理研究 第 ２９ 卷第 ７ 期 图 ６ 让压管载荷 － 变形曲线 图 ７ 围岩垂直位移云图 图 ８ 围岩水平位移云图 ５ 结 语 １ 王庄煤矿 ８１０７ 工作面运输巷锚索破断失 效的主要原因为巷道围岩受回采动压作用后出现大 变形ꎬ顶板离层量大于锚索最大延伸长度ꎬ锚索受力 达到其极限破断载荷ꎮ 图 ９ 巷道围岩变形曲线 图 １０ 支护体受力曲线 ２ 让压管的力学特性试验及数值模拟结果表 明ꎬ１０ ｃｍ 高强双泡让压管与王庄煤矿８１０７ 工作面运 输巷顶板锚索匹配性较好ꎬ其让压点为２５７.７６ ｋＮꎮ ３ 王庄煤矿 ８１０７ 工作面运输巷采用让压支 护体系后ꎬ围岩变形控制效果较好ꎬ支护体受力低于 破断载荷ꎮ [责任编辑常丽芳] ９３ ２０２０ 年 ７ 月 王李刚等回采巷道让压锚索支护机理研究 第 ２９ 卷第 ７ 期