B060404 深部煤巷錨桿支護可靠性研究

1、深部煤巷錨桿支護可靠性研究周賢山1 楊科2貝慶豐1【1.皖北煤電集團劉橋一礦，安徽 淮北，235159；2.安徽理工大學，安徽 淮南，232001】摘 要 論述了煤巷預應力錨桿支護作用機理，提出煤巷預應力錨桿支護設計新方法煤巷錨桿支護監(jiān)控設計法，即采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡與專家系統(tǒng)（ANNES）構建多級預測網(wǎng)絡系統(tǒng)對支護參數(shù)進行預設計，輔以數(shù)值模擬分析巷道穩(wěn)定性，并在實施過程中根據(jù)工程反饋的信息作出修改。應用該方法在劉橋一礦深部煤巷錨桿支護實踐中取得了良好的支護效果。應用表明，煤巷采用高預應力錨桿（索）可以阻止頂板離層和兩幫片幫，起到支護的作用，充分發(fā)揮圍巖和支護體的共同承載作用，驗證了該設計的合理性

2、和科學性。關鍵詞 深部煤巷 錨桿支護 ANNES 圍巖穩(wěn)定性劉橋一礦主采4煤和6煤，煤層傾角東翼2545，西翼為520。頂、底板均是由細粉砂巖、泥巖和砂質泥巖組成的復合結構，且復合結構和砂巖裂隙發(fā)育狀況有明顯差異。該礦自2003年以來大力推廣煤巷錨桿支護技術，2004年劉橋一礦與安徽理工大學合作開展劉橋一礦深部煤層巷道錨桿支護可靠性研究，提出煤巷預應力錨桿支護設計新方法煤巷錨桿支護監(jiān)控設計法。研究成果對深部煤巷支護起到很好的指導作用，目前深部煤巷采用錨桿（索）支護比例已達60以上。1 深部開采錨桿支護機理分析1.1 影響錨桿支護巷道圍巖穩(wěn)定的因素分析影響巷道圍巖變形破壞機理和破壞模式的因素很多

3、，主要體現(xiàn)在以下四個方面： 圍巖巖體的結構類型巖體是經(jīng)過漫長的地質作用形成的一種天然材料。巖體中存在許多大小不等、方向各異的破斷面，影響著工程巖體的穩(wěn)定狀態(tài)，是導致許多巖石力學問題的內(nèi)在因素。 巷道圍巖應力巖體結構控制作用在很大程度上還受巖體內(nèi)的應力和巖體(煤層)賦存環(huán)境的影響。圍巖的應力環(huán)境取決于巖體(煤層)賦存環(huán)境和工程活動。環(huán)境因素包括：地應力、地下水、煤層厚度、煤層傾角等。影響巷道圍巖應力的環(huán)境因素有：原巖應力、巷道埋深、斷面形狀、采掘應力等。 支護結構類型與參數(shù)圍巖結構類型與賦存的應力環(huán)境能夠影響錨桿支護作用的機理和支護效果，而錨桿的支護類型與支護參數(shù)也影響圍巖的破壞機理和破壞模式。

4、 支護時間、巷道掘進和工作面回采速率巷道開挖后圍巖應力重新分布，在圍巖表面為二向受力狀態(tài)。圍巖在徑向應力變化越來越大，如不能及時進行錨噴支護，可能使圍巖在應力的作用下不斷變形，造成安全隱患。因此，在支護時間上要準確掌握時機，及時支護。另外，巷道掘進的快慢和工作面推進速率的快慢將直接影響到巷道圍巖和支護體的力學狀態(tài)。掘進和工作面推進速率過慢，將給巷道圍巖以充分的變形時間，從而造成支架圍巖共同作用體系的破壞并使之失去很好的作用，影響安全生產(chǎn)。1.2 預應力錨桿支護力學機理預應力錨桿作用的力學機理是減少圍巖強度降低。在煤體中開挖時，由于煤的物理力學性質或相鄰采動礦壓的影響，開挖邊界處的圍巖將向著開挖

5、空區(qū)產(chǎn)生松動或坍塌，不錨固或不及時錨固，將會導致圍巖整體變形直至破壞，巖體的強度也逐步降低。及時錨固圍巖，就會有效地阻止其松動的發(fā)展，同時也限制巖體強度的降低。安裝預應力錨桿所提供的相向緊固力附加位移，可有效地阻止巖體松動的發(fā)展，改善圍巖中的應力狀態(tài)，使其強度得到相應的提高。其力學作用表現(xiàn)為巖體粘結力的提高，并增加了弱面的抗滑穩(wěn)定性。預應力錨桿的力學機制表明，及時安設的預應力錨桿對圍巖加固可以彌補圍巖松動引起的強度降低，增加圍巖的穩(wěn)定性，使圍巖形成較好的整體承載結構，增加其承載能力。2 深部煤巷錨桿支護監(jiān)控設計法錨桿支護參數(shù)設計方法采取的是一種動態(tài)設計方法煤巷錨桿支護監(jiān)控設計法。該法以對地應力

6、場及其對巷道穩(wěn)定性的影響方式、圍巖變形失穩(wěn)規(guī)律、錨桿支護機理與支護特性三個方面的正確認識為理論依據(jù)，以現(xiàn)場調查、工程實測為依托手段，根據(jù)觀測結果修改、優(yōu)化支護形式及其參數(shù)為核心內(nèi)容的一種系統(tǒng)的煤巷錨桿支護設計方法。該方法主要有以下四個步驟： 巖體條件分析對于具體巷道作細致調查分析，弄清楚圍巖的強度、性質以及巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度、沉積變化和構造影響等。 初步設計根據(jù)調查到的巖體、采動、構造條件并參考同類條件的工程實踐，采用神經(jīng)網(wǎng)絡與專家系統(tǒng)（ANNES）構建多級預測網(wǎng)絡系統(tǒng)確定支護結構、形式和參數(shù)的預設計，輔以數(shù)值模擬分析巷道穩(wěn)定性。 礦壓觀測檢查施工質量是否符合設計和質量標準要求，并排除施工

7、質量影響因素。礦壓觀測采用常規(guī)觀測法來觀測巷道圍巖變化和頂板離層量。觀測結束后，對礦壓觀測數(shù)據(jù)進行全面分析，評判巷道支護設計的合理性及存在問題，提出修改意見，使其臻于完善。 調查支護效果現(xiàn)場調查可以分為巷道掘進期和服務期兩個階段進行。調查內(nèi)容為支護結構的作用效果、破壞部位及數(shù)量，以及結構缺陷。通過調查，對照礦壓觀測數(shù)據(jù)作出巷道穩(wěn)定性分析和判斷。巷道掘進期的調查結果應予以及時利用，以改進初步設計。巷道服務期的調查結果是對巷道能否適應系統(tǒng)安全生產(chǎn)需要的最終考察和支護設計是否合理的最終裁決。根據(jù)調查結果全面分析論證，對巷道支護結構、形式、參數(shù)再改進、優(yōu)化。在這個動態(tài)的設計過程中，綜合利用了現(xiàn)有的錨桿

8、支護理論知識和經(jīng)驗，而現(xiàn)場監(jiān)測信息反饋修改完善則充分考慮了影響深部煤巷錨桿支護設計的各種定性、定量和一些隨機、不確定性因素。這些優(yōu)點是其他設計方法無法比擬的。3 基于ANN-ES的錨桿支護設計應用神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)相結合，在錨桿支護設計中，共構建8個網(wǎng)絡模型（如圖1所示），它們分別是網(wǎng)絡1（巷道斷面選擇與支護形式確定網(wǎng)絡），網(wǎng)絡21（頂板網(wǎng)、鋼帶、錨桿材料選擇網(wǎng)絡），網(wǎng)絡22（兩幫網(wǎng)、鋼帶、錨桿材料選擇網(wǎng)絡），網(wǎng)絡31（頂、幫樹脂錨固劑卷選擇網(wǎng)絡），網(wǎng)絡32（頂、幫錨桿長度設計網(wǎng)絡），網(wǎng)絡33（頂、幫錨桿直徑設計網(wǎng)絡），網(wǎng)絡34（頂、幫錨桿間距設計網(wǎng)絡），網(wǎng)絡35（頂、幫錨桿排距設計網(wǎng)絡）。圖

9、1 煤巷錨桿支護設計神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)結構層次采用上述設計思路，對劉橋一礦6煤深部煤巷支護參數(shù)進行預設計，以6煤留窄小煤柱護巷的回采巷道為例。巷道設計成斜頂矩形斷面，采用錨、網(wǎng)、帶+錨索聯(lián)合支護。錨桿采用20MnSi螺紋鋼錨桿，直徑20mm、長2500mm，間排距為700700（mm）。網(wǎng)采用菱形金屬網(wǎng)，鋼帶采用M型鋼帶。錨索鋼絞線直徑、長6300mm，間距為2100mm。錨桿、錨索采用樹脂錨固劑卷錨固。4 數(shù)值模擬分析巷道穩(wěn)定性4.1 巖體力學參數(shù)選取計算中采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞（(1)式）；采用應變軟化模型以反映煤體破壞后隨變形發(fā)展殘余強度逐步降低的性質

10、。 (1)式中，s1、s3 分別是最大和最小主應力，c，j 分別是粘結力和摩擦角。當fs0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應力狀態(tài)下，巖體的抗拉強度很低，因此可根據(jù)抗拉強度準則（s3sT）判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。采空區(qū)垮落矸石材料的密度r、彈性模量E和泊松比隨時間而增加。r、E和變化規(guī)律可由以下經(jīng)驗公式表述： （kg/m3） (2) （MPa） (3) (4)式中，時間t的單位為年。據(jù)此，以6煤為例，巖體力學參數(shù)見表1。表1 巖體力學參數(shù)層序巖層名稱DEBSFC厚度/m/kg/m3/GPa/GPa/GPa/MPa1老頂26902410.26 10.81 420.52直接頂26306.10 5.5

11、7 36煤12600.83 0.57 34直接底25104.78 3.58 25老底2650209.26 8.77 124.2 數(shù)值模擬模型本研究選用國際先進的FLAC數(shù)值模擬軟件，只對留設35m煤柱的回采巷道圍巖穩(wěn)定性模擬分析。模擬模型長寬為4040（m），共劃分為6400個正方形單元，單元長寬為（m）。計算模型如圖2所示。邊界約束條件的確定如下：左右邊界取u=0,v0（u為x方向位移，v為y方向位移），即單約束邊界；下部邊界取u=v=0,為全約束邊界；上部邊界不約束，為自由邊界。上部邊界以上的巖層作為外載荷施加在模型的上邊界上。模型加載：模擬煤層埋深-800m，此時外載荷為原巖應力20MP

12、a，水平應力為原巖應力的倍，為16MPa，梯度為0。圖2 計算模型網(wǎng)格圖4.3 數(shù)值模擬分析由此可得，巷道圍巖一定范圍內(nèi)的煤巖體位移是隨著工作面的回采動態(tài)變化的，直觀反映了巷道圍巖的動態(tài)變形、移動情況，主要體現(xiàn)在巷道頂板下沉、兩幫縮進及底臌的動態(tài)變化過程（圖3）。巷道表面位移特征見表2。 掘進期間 回采期間圖3 6煤巷道圍巖位移矢量場表2 巷道圍巖位移特征煤層斷面參數(shù)累計位移量/mm6煤梯形：寬中高4m=10m2掘進期間頂?shù)醉敯逑鲁?26底臌0頂?shù)?26兩幫高幫134低幫99兩幫233巷道斷面收斂率-回采期間頂?shù)醉敯逑鲁?21底臌101頂?shù)?22兩幫高幫677低幫414兩幫1091巷道斷面收斂

13、率42注：巷道斷面收斂率（原始巷道斷面面積變形后斷面面積）/原始巷道斷面面積5 礦壓觀測與支護效果分析本文以6510機巷為例，對該巷掘進期間的礦壓觀測與支護效果進行分析。 圖4掘進期間圍巖表面位移曲線 圖5掘進期間頂板離層曲線表面位移特征（圖4）：巷道在掘進以后一段時間內(nèi)，變形劇烈，巷道表面移近量急劇增加，隨后變形趨于穩(wěn)定；巷道兩幫移近量3539天后基本趨于穩(wěn)定，最大移近量318mm，平均為300mm；巷道頂?shù)滓平?728天后基本趨于穩(wěn)定，最大移近量77mm，平均為64mm；掘進期間，巷道兩幫移近量遠大于頂?shù)滓平浚易冃畏€(wěn)定期也較長。由此可見錨網(wǎng)支護有效地控制了圍巖的松動和片幫，掘進期間圍

14、巖變形很小且在較短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，說明錨網(wǎng)支護在掘進期間對圍巖的支護效果良好。頂板離層特征（圖5）：巷道頂板離層在巷道掘出一段時間內(nèi)發(fā)生，隨后趨于穩(wěn)定，并呈現(xiàn)跳躍特征。從觀測結果可以看出，錨固區(qū)內(nèi)離層在巷道掘出1530天內(nèi)達到最大，錨固區(qū)內(nèi)最大離層量為2mm；而錨固區(qū)外離層在巷道掘出35天后才基本趨于穩(wěn)定，錨固區(qū)外最大頂板離層量為4mm。通過掘進期間巷道表面位移、頂板離層觀測結果表明，煤層巷道采用預應力錨桿支護設計較為合理，能滿足安全生產(chǎn)要求。6 結 論（1）新型錨桿（索）支護屬于主動支護，只有在確保巷道頂板錨桿和幫部錨桿的扭距均大于或等于設計值時，才能保證錨桿具有足夠的預緊力，使巷道圍巖形成

15、一個整體結構，提高圍巖自身承載能力，較好地控制巷道圍巖的變形，滿足安全生產(chǎn)的需要。（2）結合工程類比及理論計算，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)（ANNES）應用于煤層巷道支護設計，采用計算機手段進行支護選型及支護參數(shù)設計等工作，是將人工智能技術引入煤層巷道錨桿支護設計的成功應用。（3）數(shù)值模擬結果表明，F(xiàn)LAC數(shù)值模擬能較真實地反映試驗巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，能很好地分析巷道圍巖穩(wěn)定性和錨桿支護的可靠性，驗證了深部煤巷道錨桿支護設計多級人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的科學性、合理性、可行性。（4）應用表明，將ANN-ES、數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場實測方法同時應用到深部煤巷道錨桿支護決策中，借助計算機手段，把各種方法有效地集成于一體，充分發(fā)揮各自方法的優(yōu)越性，互相補充，基于動態(tài)設計思想進行巷道支護設計，從而克服以往設計方法的不足，對于在煤巷巷道中推廣和發(fā)