二次采动巷道锚杆（索）支护效应分析∗

代生福杨志兵孟宪志姜鹏飞潘 杨（.同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司,山西省朔州市,036009; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,0003; 3.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,0003）



二次采动巷道锚杆（索）支护效应分析∗

代生福1杨志兵1孟宪志2,3姜鹏飞2,3潘 杨1
（1.同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司,山西省朔州市,036009; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 3.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,100013）

摘要采用数值模拟和现场监测的方法分析了14103麻家梁煤矿辅运副巷在经历二次采动应力的影响下,巷道锚杆（索）的支护效应。数值模拟分析14103辅运副巷采用高预应力支护可有效改善巷道支护应力场;现场监测发现锚杆、锚索杆体应力受14102工作面回采影响先急剧增加后趋于稳定,再经历14103工作面回采影响虽部分杆体应力有所下降,但仍能保持有效支护作用;14103辅运副巷浅部锚杆索支护范围内的3 m处围岩始终保持较强的承载能力,较深部5 m处围岩已进入塑性区,深部8 m和10 m围岩始终具有较强的承载能力。辅运副巷经历二次采动影响后,顶底板移近量为390 mm,两帮移近量为280 mm。

关键词采动应力 巷道支护 锚杆索支护 预紧力 巷道围岩应力 数值模拟

为了研究锚杆锚索对二次动压留巷的支护效果,本文以大同麻家梁煤矿14102工作面和14103工作面回采期间对14103辅运副巷的动压影响为基础,研究高预应力锚杆锚索对巷道围岩的支护效应。

1　生产地质条件

麻家梁煤矿产量1200万t/a,目前主要开采4＃煤层,4＃煤层埋深约600 m。14102工作面和14103工作面属于麻家梁煤矿一采区,煤层厚度约10 m,开采方式为综放开采。由于老顶强度高、厚度大,在工作面回采期间,临空巷道变形十分严重。尤其是受相邻工作面回采的滞后采动应力影响,巷道发生强烈变形,两帮移近量超过1.5 m,底鼓量超过2 m,需要进行大量的维修,部分巷道由于维修量太大而被迫废弃。

14102和14103综放工作面采高3.5 m,放煤高度6.5 m,14102胶运巷距离14103辅运巷的距离为20 m,但由于14103辅运巷掘进期间变形较大,已被废弃,在距离该巷道40 m位置又重新掘进了14103辅运副巷。14103辅运副巷即受14102工作面回采影响,又受14103工作面回采的影响。巷道及工作面布置见图1所示。

图1　巷道及回采工作面布置

麻家梁煤矿14103工作面附近4＃煤层顶底板完整性较好,其顶板以砂质泥岩、细砂岩和中粒砂岩为主,厚层状,胶结致密;底板以细砂岩、粉砂岩和碳质泥岩为主。通过地质力学测试,煤层强度平均为17.62 MPa,最大水平主应力为26.26 MPa;垂直应力为15.80 MPa。

2　数值模拟分析

2.1数值模型建立

数值模拟中锚杆、锚索采用cable结构单元模拟,锚杆弹性模量为200 GPa,屈服强度500 MPa,抗拉强度700 MPa,长度为2.4 m,直径为22 mm;锚索弹性模量为195 GPa,长度为8.3 m,直径为22 mm,破断力为600 k N。煤岩体采用Mohr-Coulomb（莫尔－库伦）本构模型,根据实验室测试结果,煤岩层物理力学参数见表1。采用FLAC3D数值模拟软件,建立麻家梁煤矿14103辅运副巷的数值计算模型。模型初始应力按照现场实测结果施加,位移边界条件为四周采用简支,下表面固支,上表面为自由面。

表1　模型中煤岩层物理力学参数

2.2数值模拟分析

在相同支护密度前提下,模拟不同支护参数对支护应力场中围岩应力分布特征的影响。从而分析支护应力场与围岩应力场之间的相互作用关系,并确定麻家梁煤矿14103辅运副巷合理的支护参数。

模拟锚杆施加20 k N、40 k N、80 k N后的预紧力形成的应力场分布,在此,将锚杆预应力在围岩中形成的应力场称为锚杆在围岩中产生的支护应力场。不同锚杆预紧力条件下锚杆在围岩中产生的支护应力场分布模拟结果见图2。

图2　不同锚杆预紧力在围岩中产生的应力场分布

预紧力为20 k N时,顶板和两帮锚杆预应力都未能扩散到锚杆整个长度范围,顶部锚杆仅在锚杆锚固段附近和锚杆尾部0.5 m范围内预应力扩散较为良好,且岩体内部压应力值较低。当预紧力为20 k N时,巷道围岩最大压应力为0.14 MPa,顶板两根锚杆之间煤岩体内压应力值仅为0.08 MPa;当预紧力为40 k N时,巷道围岩最大压应力为0.24 MPa;当锚杆预紧力增大到80 k N时,巷道围岩最大压应力为0.37 MPa,压应力扩散范围在长度方向为锚杆整个长度范围内,宽度随着锚杆预应力的增加而增大,顶板两根锚杆之间煤岩体内压应力值增加到0.25 MPa。

因此,随着锚杆预紧力增大,围岩内压应力范围和强度不断增大,明显改善了围岩的受力状态,形成了良好的支护应力场,能够提高巷道抗扰动能力,更好地保持巷道围岩的完整性。

3　二次采动影响下巷道支护效应分析

3.1留巷支护方案

为了很好地控制巷道变形和优化巷道支护应力场,根据高强度一次支护的原则,提出合理的支护设计,确定14103辅运副巷支护方案如图3所示。

图3　14103辅运副巷支护设计

巷道采用锚杆索联合支护,锚杆采用ø22 mm ×2400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆,锚杆强度为500 MPa。锚杆配合150 mm×150 mm×10 mm拱形托盘和W钢带支护顶板及帮部;顶板采用钢筋网护顶,两帮采用菱形金属网。顶锚杆间排距940 mm×800 mm,一排6根锚杆;帮锚杆间排距1000 mm×800 mm,一排5根锚杆;锚杆扭矩不低于400N·m。

顶锚索采用ø22 mm×7300 mm、1×19结构的钢绞线锚索,锚索托盘尺寸为300 mm×300 mm×16 mm;间排距为1800 mm×1600 mm,每排布置3根锚索;帮锚索规格为ø22 mm×5300 mm,间排距1000 mm×800 mm,煤柱侧帮每排布置3根锚索,工作面侧每排布置2根锚索,设计锚索预紧力为250 k N。

3.2支护体受力监测及分析

为了全面监测14103辅运副巷的支护应力场, 在14103辅运副巷内安装锚杆锚索测力计和钻孔应力计。监测14102工作面回采和14103工作面回采期间锚杆索（支护体）应力状态和巷道围岩应力状态。

锚杆索测力计分别安装在巷道顶板及两帮,顶板安装2个锚杆测力计和2个锚索测力计;帮部各安装2个锚杆测力计和1个锚索测力计。监测数据如图4和图5所示。

图4　锚杆受力变化

图5　锚索受力变化

图4和图5中,2014年9月－12月为相邻14102工作面回采期间侧向支承压力一次采动影响阶段,2015年3月－6月是14103工作面回采期间超前支承压力二次采动影响阶段。

由于14102工作面采动,14103辅运副巷顶板和靠近煤柱侧帮锚杆、锚索受力显著增加,顶板锚杆最大承载达到200 k N,煤柱侧锚杆受力由50 k N增大到170 k N;顶板锚索受力达到230 k N,煤柱侧帮锚索受力达到210 k N。而靠近14103工作面侧锚杆受力较小,且随着14102工作面的回采变化不大,这说明相邻工作面回采产生的侧向支承压力主要对顶板和煤柱侧巷帮的受力、变形及破坏产生影响,锚杆锚索受力表现出逐步增大的特征,同时可以看出预应力越高的锚杆在受到工作面回采影响后受力越稳定。

2015年1月－3月,这段时间为14102工作面回采后、14103工作面回采前的稳定阶段,锚杆锚索不受采动影响,总体来看,锚杆锚索存在少量增加的现象,这说明锚杆锚索在长期承载过程中发生了蠕变。

14103工作面回采期间超前支承压力二次采动影响期间,顶板和煤柱侧帮锚杆受力呈现锯齿状变化,说明工作面超前支承压力作用后,14103辅运副巷顶部煤体和煤柱侧帮煤体内部出现了微裂隙的产生和扩展,部分煤体出现了扩容破坏,锚杆在受到动压影响后循环出现加载—破坏—卸载—再加载的过程,因而变现出锯齿状受力特征。靠近工作面侧帮煤体相比煤柱侧更为完整,受超前支承压力影响后其受力出现了持续增大的过程。从锚索受力来看,14103工作面回采期间,锚索受力总体较为平稳,但到2015年6月个别锚索受力下降,这是由于受二次强烈采动影响后,锚索锚固位置破坏而导致的个别锚索失效,但总体锚索仍具有较好的支护作用。

3.3煤柱采动应力分析

采用钻孔应力进行采动应力分析,钻孔应力计安装在煤柱侧帮部,钻孔深度分别为3 m、5 m、8 m和10 m。深度为3 m的钻孔应力计主要是监测锚杆索联合支护体内围岩的应力变化;其他孔深监测支护范围外围岩的应力变化。根据现场监测数据,得出如图6所示应力曲线,由图6可知:

（1）钻孔深度3 m时,煤柱应力先增加后稳定,当14103工作面回采期间煤柱应力开始出现下降,然后逐渐增加,主要是14103工作面回采期间,随着老顶断裂,3 m钻孔应力先释放然后增加,并且煤柱3 m范围内由于锚网索支护改善了煤柱承载能力,从而使煤体能够承受较高的应力。

图6　不同深度钻孔所测应力变化曲线

（2）钻孔深度5 m时,煤柱应力先增加后减小,并且在14103工作面回采期间,此处应力一直处于下降状态,说明受14102工作面和14103工作面回采时采动压力的影响,5 m处煤体已进入了塑性区,并且5 m处已超出锚网索联合支护影响范围,承载力超过其极限载荷后,此处煤柱受力处于一直下降的趋势。

（3）钻孔深度8 m和10 m范围内,煤柱受力先增加,然后逐步出现稳定。说明此范围内煤体承载力能够承受14102工作面和14103工作面的二次采动影响。

基于以上数据说明,锚杆索支护应力明显改善了其支护范围内围岩的应力状态,提高了巷道围岩抗扰动能力;支护体系外围岩进入塑性区,也验证了锚杆（索）支护对维持围岩稳定有着至关重要的作用。

4　支护效果

对14102、14103二次采动过程巷道围岩变形进行了现场监测。14102工作面回采期间,锚杆锚索受力增加明显,说明锚杆锚索有效控制了巷道围岩变形,巷道顶底板移近量90 mm,两帮移近量30 mm,巷道变形较小。

14103工作面回采期间,14103辅运副巷变形曲线如图7所示。由前述可知,14103工作面回采时锚杆受力发生了锯齿状变化,每一次锯齿状变化则说明煤岩体发生了不同程度的扩容变形。工作面回采后,巷道顶底板移近390 mm,两帮移近280 mm。总体来看,14103辅运副巷经历二次采动影响后,巷道能够满足矿井安全生产需要。

图7　14103工作面回采期间14103辅运副巷变形量

5　结论

（1）针对麻家梁地质条件,通过数值模拟确定锚杆预紧力应采用80 k N可以确保巷道围岩的稳定性,提高围岩的抗扰动能力。

（2）经历二次采动影响,锚杆索受力增加后能够很好地保证支护构件的可靠性,并且提高了支护范围内围岩的抗扰动能力。

（3）3 m处钻孔围岩（锚杆索联合支护范围内围岩）能够很好地承担二次采动应力,5 m处围岩受二次采动影响已进入塑性区,8 m和10 m处围岩仍具有一定的承载能力。

（4）锚杆索杆体受力变化与围岩的受力变化一致,二者相互影响,且锚杆索支护力是改善围岩受力状态的根本原因。

（5）通过现场监测,14103辅运副巷采用高强度一次支护技术,能够完全保证巷道的稳定性,满足14103工作面回采期间的安全生产要求。

参考文献:

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［2］Shen B.,King A.,Guo H.. Displacement stress and seismicity in roadway roofs during mining-induced failure ［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008（5）

［3］康红普．煤矿井下应力场类型及相互作用分析［J］．煤炭学报,2008（12）

［4］康红普,林健,张晓．深部矿井地应力测量方法研究与应用［J］.岩石力学与工程学报,2007（5）

［5］杨树军.深部巷道围岩地质力学测试及支护方式设计［J］.中国煤炭,2015（4）

［6］唐红,朱晓菲.巷道锚杆锚索协同支护数值模拟研究［J］．中国煤炭,2014（4）

（责任编辑张毅玲）

Analysis of anchor bolt and cable supporting effect in roadway influenced by the secondary mining process

Dai Shengfu1,Yang Zhibing1,Meng Xianzhi2,3,Jiang Pengfei2,3,Pan Yang1
（1．Majialiang Coal Company Joint-stock by Datong Coal Industry and Zhejiang Provincial Energy Group Co．,Ltd．,Shuozhou,Shanxi 036009,China; 2．Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co．,Ltd．,Chaoyang,Beijing 100013,China; 3．Coal Mining and Design Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China）

AbstractThe supporting effect of anchor bolts and cables in 14103 auxiliary transport roadway influenced by the secondary mining in Majialiang Coal Mine was analyzed by the methods of numerical simulation and field monitoring．The results showed that high prestressed supporting could improve the stress field of roadway supporting in effect;it was found by the field monitoring that the stresses of anchor bolts and cables first increased sharply and then tended to be stable influenced by 14102 face mining process,then the stresses of some slightly decreased while the supporting kept effective during the 14103 face mining process．Within the range of anchor bolts and cables supporting,the surrounding rocks at 3 m from the wall of 14103 auxiliary transport roadway always kept rather strong bearing capacity,and the surrounding rocks at 5 m were nearly into the plastic zone,and the surrounding rocks at 8 m and 10 m always had rather strong bearing capacity．After the secondary mining influence,the distance between the roof and floor decreased 390 mm and the distance between two sides decreased 280 mm．

Key wordsmining-induced stress,roadway support,anchor bolt and cable supporting,pretightening force,stress of roadway surrounding rock,numerical simulation

中图分类号TD353

文献标识码A

基金项目:∗国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目（U1261211）,天地科技公司研发项目（KJ－2015－TDKC－10）,中国煤炭科工集团科技创新基金重点项目（2014ZD001）

作者简介:代生福（1966－）,男,山西应县人,工程师,主要从事煤矿技术指导的管理工作。