预应力锚注技术在深部区域巷道围岩控制中应用

时间：2024-07-28

韩少勇(山东能源集团肥城矿业公司工程管理科,山东泰安271600)

1 前言

近年来,矿井开采深度不断延伸,导致矿井掘进巷道围岩应力不断增大,严重影响巷道支护稳定性。原始的巷道支护方式无法满足巷道支护要求。针对高应力围岩支护问题,我国相关领域专家已经做出诸多研究[1-3],并取得一定的研究成果,主要有中空注浆锚杆和高强注浆锚杆,但由于操作较为复杂,施工程序较多,严重影响支护效率。

本文以某矿11034 工作面运输巷掘进为背景,采用预应力锚注技术对巷道进行支护,运用COMSOL 进行了预应力锚注技术应变模拟研究。

2 11034 运输巷概况

11034 工作面长1 129 m,宽186 m,主采煤层3#煤层,岩层中间夹矸,上下分层见夹着一层泥质粉砂岩,顶板为泥岩,底板为泥质粉岩。根据勘查,距离地表最小距离1 300 m,属于典型的埋深大、高应力区域。掘进过程中有少量水渗出,围岩为软岩,支护难度大。煤层柱状图如图1所示。

图1 3#煤层岩层柱状图

3 围岩应变数值模拟研究

假设巷道周围煤岩为均匀介质,巷道顶板粉砂岩、底板泥质粉岩均为均匀介质,岩层内应力分布均匀。所使用软件为有限元软件,模拟介质结构在弹性范围内的应变情况[4-6]。

11034 运输巷巷道断面设计为半圆拱形,COMSOL 模拟所用几何模型和巷道设计断面尺寸为1∶1比例。几何模型如图2所示。

图2 模拟巷道几何模型

3.1 巷道未支护围岩应力分布模拟

巷道未进行支护时,巷道承受的竖直方向的应力为200 MPa,水平方向应力为120 MPa。不同岩层基本参数见表1。

表1 岩层基本参数表

本文采用固体应力瞬态模型,模拟出巷道断面受到应力30 d 时的应力分布情况。应力分布如图3所示。

为了解顶板应力分布情况,本文模拟得出中部位置到顶板距离0～2 m 线型应力分布曲线[7],曲线图如图4所示。

图4 顶板应力变化曲线图

由图3、4 可知,巷道正上方应力最大,达到1.9 ×108Pa,随着距离顶板位置越来越远,应力逐渐降低,最终趋于平稳。在距离顶板约2 m 位置点应力基本趋于平稳,此时应力约1.0 ×108MPa。

图3 30 d 时巷道断面应力分布云图

3.2 巷道支护后围岩应力分布模拟

为了研究预应力注浆锚固后巷道围岩应力分布情况,假设顶板每排实施预应力锚杆5 根,岩体周围所受的应力和原始应力模拟基本一致,周围岩体基本参数和表1 一致,运用软件COMSOL 进行数值模拟,巷道周围应力分布如图5所示[8-10]。

为定量研究巷道周围应力分布情况,本文分别对巷道顶部锚杆不同时间段轴向应力分布情况进行了模拟,模拟图如图6所示。

由图5、图6 可知,锚杆轴向应力分布均匀,介于1.7 ×108～1.9 ×108Pa。15 d、20 d、30 d 三个时间段应力基本变化偏差较小。

图5 锚固巷道周围应力分布云图

图6 锚杆轴向应力分布曲线图

3.3 模拟分析

分析巷道进行预应力锚注技术和未进行预应力锚注技术巷道周围岩石应力分布情况可知,巷道未实施预应力锚固技术时,巷道顶板围岩应力分布比较集中,而且整个顶板应力分布范围较大,水平方向应力延伸至左、右巷帮上。当进行了预应力锚注技术后,顶板围岩应力平均分布在锚杆上,并有效解决了巷帮应力延伸的问题。

4 现场应用

基于本文数值模拟研究成果,在11034 运输巷支护过程中使用预应力锚注技术,锚固技术实施过程中,锚杆布置情况如图7所示。

图7 巷道段锚杆布置图

巷道实施完成预应力锚注技术之后,运用速凝水泥进行了锚喷,底板进行了网片注浆铺设。锚杆均采用钢制锚杆,φ30 mm,锚杆施工密度为0.5 m×0.5 m,支护完成后安装了顶板离层仪等监测设备进行了围岩变形监测。观测发现预应力锚注支护巷道区域在180 d 的周期内未出现巷道断面垮落现象,巷道整体未出现大幅度变形。分析顶板离层仪监测数据,顶板离层仪数据稳定。