回采巷道让压锚索支护机理研究

2020-07-18王李刚李鹏俊

煤 2020年7期

王李刚，李鹏俊

(潞安环能股份公司王庄煤矿，山西长治 046031)

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，沿底掘进，宽×高=5.5 m×3.5 m，煤厚6.45 m，直接顶为2.54 m泥岩，基本顶为3.1 m厚的细砂岩，其岩层柱状图如图1所示。巷道支护方案如图2所示。巷道留有3 m左右的顶煤，顶板锚杆长度为2.4 m，帮锚杆长度为2.2 m，锚索长度为8.3 m，“3-2-3”布置，锚索直径为18.9 mm，破断载荷为409 kN。巷道受到采动影响后，现场矿压观测表明，围岩变形量较大且变形持续时间较长，部分锚索出现破断现象。

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，依据巷道地质特点及支护形式，采用FLAC3D建立数值模型，如图3所示，锚索采用内置单元cable进行模拟，其初始工作载荷为210 kN，监测巷道开挖及回采阶段顶板锚索受力，得到如图4所示的受力曲线，由此可知，巷道开挖后，在初始阶段，围岩变形能释放，变形增长较快，锚索受力曲线呈现快速增长，达到234 kN，当围岩变形趋于稳定时，锚索受力增大速度放缓，最终趋于稳定，掘巷稳定后，在3-2-3锚索布置中，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，锚索最大受力值分别为：242 kN、241.2 kN、239.2 kN。这是由于在掘巷阶段，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。

在掘巷期间，锚索受力最大值都未达到其屈服极限及破断载荷，说明原有支护基本可以满足巷道掘巷期间的支护要求。随着工作面的回采，巷道围岩受到较大的回采动压影响，支护体受力随着围岩离层变形的增大出现快速增长，并相继达到锚索破断载荷。回采期间巷道顶板非采动侧最外侧锚索最先出现破断，之后中部锚索出现破断，顶板采动侧锚索最后出现破断。在工作面动压影响下，虽然巷道顶板采动侧围岩下沉量大于非采动侧，但是其主要变形来自岩层的整体下沉，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，因此，在巷道支护实践中，应当注重并及时监测顶板离层量的变化。锚索全过程受力曲线表明，原有巷道支护方案仅能满足巷道掘进过程中的支护需要，在工作面采动后，支护体可能因为较低的延伸率而破断失效。

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，采用让压锚索代替普通锚索，即在原有锚索托盘及锁具之间安装让压管，为了选取锚索相配套的让压管，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，图5为三种让压管试验前后实物图，图6为让压管的载荷-变形曲线。

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 kN，最大让压行程Dmax=23.6 mm；双泡让压管让压点RB=130.89 kN，最大让压行程Dmax=38.20 mm；高强双泡让压管让压点RB=257.76 kN，最大让压行程Dmax=45.83 mm。

图5 让压管试验前后对比

由试验结果可知，单泡让压管及双泡让压管让压点大小基本相同，而高强双泡让压管具有较大的让压点和让压行程。顶板锚索安装时预紧力设计值不低于200 kN，单让压管及普通双让压管让压点均低于设计值，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。因此，确定巷道锚索配套让压管为高强双泡让压管。

2.2 让压管长度确定

让压管长度的选择极为重要，锚索采用较短长度让压管时，围岩高应力释放不充分，仍会出现锚索过载现象，让压效果不明显；同样，让压管长度过长也会带来种种问题，如让压管自身结构的稳定性较差，锚索增阻缓慢导致围岩变形难以控制等问题。因此，为了选取合理的让压管长度，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。由于FLAC3D中并没有让压结构，因此巷道开挖后释放一定的围岩压力再进行支护，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，由图可知，让压管长度为5 cm、10 cm和15 cm时，顶底板收敛量分别为594 mm、205 mm和332 mm，两帮收敛量分别为483 mm、144 mm和263 mm，结果表明，围岩变形量并非随着让压管长度的增大逐渐减小，而是呈现出先减小而后再增大的趋势。让压管长度为10 cm时，围岩变形云图分布较为对称，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，不利于巷道围岩稳定。因此，确定巷道锚索采用长度为10 cm的高强双泡让压管。

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，为了考察让压锚索控制围岩变形的效果，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，验证采用让压锚索后巷道支护系统的稳定性能。围岩位移及支护体受力监测结果如图9和图10所示。由图可知，采用让压锚索支护体系后，巷道围岩变形较小，支护体受力均低于自身破断载荷，围岩稳定性得到较好控制。