深部巷道锚索拉剪破断机理及防护技术研究

郑 楠,杨永刚,晁俊奇,朱修亮

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司 朱集东煤矿,安徽 淮南 232087;2.安徽省煤炭科学研究院,安徽 合肥 230001)

大量工程实践表明,锚索支护在大断面巷道、破碎围岩巷道、高应力巷道、强烈动压巷道及沿空巷道等复杂困难条件巷道支护中起到了良好的加固作用。近年来,随着我国煤矿开采深度增加和地质条件的复杂化,复杂困难巷道所占的比例越来越大,预应力锚索用量也逐年增加,锚索的作用已从补强加固措施转变为常规支护手段,一定程度上还成为不可或缺的支护手段[1-3]。然而,在深部复杂应力环境巷道支护工程中,开始出现了不同程度的锚索退锚、破断弹射等严重问题,给深部煤矿巷道支护的可靠性和安全性带来重大的系统性风险[4-6]。

为提高锚索在深部巷道的工程适用性,我国许多专家学者对此进行了研究。李金奎等[7]为解决巷道顶板易离层冒顶问题,提出并实施了巷道复合顶板全锚索一次支护方案,有效控制复合顶板的离层和下沉;郭相平等[8]针对试验巷道围岩大变形及支护构件变形失效等问题,提出了全锚索支护技术,并阐明了其支护机理,有效控制了巷道围岩变形;朱海建等[9]以软弱围岩叠加拱承载体强度理论为依据,研究了长短锚索支护技术在破碎顶板条件下支护效果;石垚等[10]针对锚索破断问题,采用实验室试验和井下实测方法分析了巷道锚索破断原因,并提出了针对性解决措施。

上述研究促进了锚索支护技术的进步,但锚索拉剪复合破断机理的研究不充分。本文针对深部巷道支护工程中出现的锚索拉剪复合破断现象,研究了锚索拉剪复合破断及弹射致灾机理,并提出了针对性的防护措施。

1 围岩变形与支护体受力关系研究

锚索的受力情况及其破坏特征与其所应用环境密不可分。煤矿巷道在掘出后,破坏了掘巷前的原岩应力状态,巷道围岩由原来的三向应力状态变为双向应力状态。巷道内施工的支护结构虽然对巷道顶板提供了支护反力,但远低于掘巷前的原岩应力,由此不可避免地导致巷道围岩表面产生松动破坏,进而产生离层。安装在巷道顶板中的支护体,如锚杆锚索的工作状态必然与顶板岩层的运移变形、破坏特征密切相关。为此,采用离散元数值模拟软件UDEC6.0开展了典型地质条件下的巷道顶板变形规律与支护体受力状态关系数值模拟研究。

1.1 数值计算模型及参数选择

模拟对象以实体煤巷道为例,以淮南矿区常见地层资料建立数值模型。模型尺寸为50 m×50 m,巷道尺寸为5.3 m×3.4 m,巷帮采用5根D22 mm×2 500 mm金属锚杆配合M3钢带支护,顶板采用D22 mm×2 500 mm金属锚杆和每排3根D22 mm×6 300 mm锚索配合T3型钢带组合支护。通施加二次应力的方式模拟回采影响,采用Mohr-Coulomb本构模型,应变模式采用大应变变形模式,模型底部限制垂直移动,模型前后和侧面限制水平移动。数值计算模型如图1所示。

图1 围岩变形与支护体受力关系数值计算模型

表1 岩体力学节理参数

1.2 数值模拟结果分析

为研究巷道顶板岩体运移规律,在模型顶板上方布置位移监测线,分别距顶板1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、7 m和9 m共计7条监测线,每条监测线长度10 m.图2(a)为巷道周边位移矢量,巷道开挖后围岩由三向应力转为两向受力,围岩向巷道空间内移动,且以巷中呈对称分布,数值相同,方向相反。其中,顶板岩体运动规律表现为巷道中部3 m左右高度范围内的围岩位移矢量为垂直向下,无水平移动的趋势;巷道两侧顶板岩层发生了指向巷道中心的斜向位移,即除发生垂直位移外还发生了向巷道中部的水平位移。

由图2(b)为支护体位移矢量及图3巷道顶板监测线水平位移曲线可见,巷道顶板中部的锚杆锚索仅表现为指向巷道中部的垂直位移,而其余锚杆锚索均发生了斜向位移,且最大水平位移发生在距中2～2.5 m位置,亦即巷道顶板除巷道中部的锚杆锚索外,其余支护体均受到支护阻力造成的拉应力和顶板岩体运动产生的剪应力共同作用。

图2 巷道围岩及支护体位移矢量

图3 巷道顶板监测线水平位移曲线

2 拉剪复合条件锚索弹射机制

由前述巷道顶板变形规律与支护体受力状态关系数值模拟研究结果可知,锚索的工作状况和破断与否与巷道顶板变形特征密切相关。巷道中部的锚索受力为单一的拉应力,而其他部位的锚索不同程度的受到拉应力与剪应力的复合作用。当巷道所处“大环境”较为恶劣,如沿空巷道处于构造带内等条件时,顶板岩层就发生较为显著的离层和错位,导致锚索工作状况急剧恶化,当超过锚索临界抗拉强度就会导致锚索破断。

矿用小孔径预应力钢绞线内锚固段采用树脂锚固剂固定在稳定岩层中,外端采用锚索垫板和锁具进行锁定,并预紧张拉,可以采用材料力学中杆件模型进行锚索弹性势能计算。

锚索弹性势能计算的基本假定:①锚索支护结构中的钢绞线按统一材质、统一直径杆件考虑;②钢绞线锚固段按固支条件考虑;③以目前常用的21.8 mm钢绞线为例进行计算,钢绞线全长等直;④作用于钢绞线上的张拉力(包括预紧力和顶板来压作用力)作用线与钢绞线轴线重合;⑤钢绞线受拉变形后遵循平面假设。

锚索拉剪复合作用下的弹性势能计算模型如图4所示。锚索在自由段处发生错位离层,导致钢绞线在此位置除受到预紧力及围岩变形产生了附加拉应力外,还受到围岩错位移动产生的弯矩作用。

图4 锚索拉剪复合作用下的弹性势能计算模型

根据前述数值计算结果,围岩表面产生了60～100 mm的水平位移(需要特别强调的是,对于沿空巷道、构造带内等复杂应力环境下的巷道水平位移更大)。此时,该位置钢绞线拉应力与弯矩联合作用下的正应力为:

根据材料力学基本公式:

代入相关数值可得,当钢绞线许用应力一定的条件下(1 860等级),钢绞线在张拉力达到1 249.6 MPa时,锚索即发生破断;锚索破断载荷为391.1 kN时,锚索在拉剪复合作用下即会发生破断,仅为锚索正常使用条件下极限破断值的70%,在沿空巷道、构造带内巷道等复杂应力环境巷道条件下锚索载荷很容易达到此值进而破断。

根据前述形变性能计算公式,并代入数值可得:

代入数据,可得摩擦阻力所做功(J):

根据势能守恒:

式中:ms为外露锚索重量,kg;mt为托板重量,kg.

若钢绞线破断发生在自由段1.5 m处,钢绞线、垫板等断裂部分总质量约为15.75 kg,由此可得,破断段钢绞线弹射瞬时速度为296 m/s,瞬时弹射速度极大,是造成锚索破断致灾的根本原因[11]。

3 锚索拉剪破断防护技术

相关研究表明,对锚索实施全长锚固能够较好的控制岩体的非连续大变形,减少索体有害受力,对锚索剪切破断的发生能够起到积极的作用。全长复合锚固主动防护技术[12-13]目的在于提高支护系统的初期剪切刚度,控制含结构面岩体的早期有害非连续变形,以及破断时能够即时发挥锚固体与锚索索体界面之间的夹持和摩擦作用,显著降低破断弹射瞬时速度及弹射距离。全长复合锚固技术虽说工艺简单,但相对来说仍然增加了注浆工序,一定程度上影响了巷道进尺效率。为此,提出了被动防护技术,作为全长复合锚固主动防护技术的必要补充,两者共同形成了深部巷道锚索主被动综合防护体系,以适应不同矿井应用环境。

3.1 防护吸能装置结构

提出的锚索被动防护技术是指通过在已安装好的锚索上加装一种防护装置(见图5),将锚索外露段进行防护,利用防护吸能装置吸收锚索自由段破断、外露段断丝等的弹性势能,从而消除锚索整体破断弹射和断丝弹射现象。

图5 锚索弹射防护吸能装置

3.2 防护技术工程应用

为验证锚索破断被动防护技术的应用效果,选择淮南矿区朱集东矿1161(1)工作面轨道巷开展了工程应用。

1) 根据井下实际探查,在工作面超前120 m范围内,由于超前支承压力影响,巷道矿压显现较为剧烈,顶板支护结构受力明显,锚索支护结构各种破坏形式均有体现:如锚索组合构件槽钢梁被拉穿、显著屈服变形、锚索断丝弹射、锚索自由段破断弹射等,给巷道正常使用带来严重的系统性风险。

2) 为保证朱集东矿1161(1)工作面轨道巷正常使用,消除其安全风险,超前工作面50 m以外至120 m范围内(50 m内巷道内有超前支架等设备)应用了锚索破断被动防护技术,防护吸能装置具体应用如图7所示。巷道内人行道侧每个断面内平均安装3组锚索破断防护吸能装置。为提高装置使用效率,锚索防护装置随着工作面向前推进向外口循环交替使用。现场应用效果来看,锚索防护吸能装置安装后与常规锚网索支护相比,巷道安全状况明显改善,有效消除了锚索破断致灾威胁。

图6 锚索支护失效现场照片

图7 锚索破断防护吸能装置现场应用照片

4 结 语

1) 深部巷道顶板变形规律与支护体受力状态关系数值计算结果表明,巷道顶板中部岩体表现为垂直向下的位移,该部位支护体主要受拉应力作用;其余部位岩体表现为垂直与水平位移复合运动,位移主要发生在巷道顶板2～3 m以浅区域,支护体受拉剪复合应力作用,易发生拉剪破断。

2) 通过建立锚索拉剪复合作用下弹性势能计算模型,研究了锚索破断弹性势能及弹射速度,分析了锚索破断弹射致灾机制。计算得出了破断段钢绞线瞬时弹射速度为296 m/s,拉剪复合作用下锚索破断载荷为391.1 kN,是沿空巷道等复杂应力环境巷道锚索破断致灾的根本原因。

3) 形成了以锚索破断弹射吸能装置为核心的被动防护技术,并选择朱集东矿1161(1)工作面轨道巷开展了井下工业试验,有效消除了锚索破断致灾威胁,显著提高了巷道锚索支护安全。