高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)及其在復(fù)雜困難煤巷中的應(yīng)用

馬萬(wàn)祥 劉曉平 馬永生

(神華寧煤集團(tuán)棗泉煤礦，寧夏銀川751410)

摘要：針對(duì)高應(yīng)力等復(fù)雜困難巷道條猝，分析了錨桿支護(hù)作用，提出高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)原理，大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度，保持圍巖的完整性，減少圍巖強(qiáng)度降低；高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)成功應(yīng)用于棗采煤礦高地應(yīng)力巷道，巷道變形降低70％左右，巷道支護(hù)狀況發(fā)生了本質(zhì)改變。實(shí)踐證明，高預(yù)應(yīng)力鑄桿支護(hù)技術(shù)可有效控割圍巖變形與破壞。

1、高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)原理

　　目前，高強(qiáng)度錨桿支護(hù)已成為煤礦巷道首選的、主要的支護(hù)方式，在一般條件下取得良好的支護(hù)效果，但對(duì)于復(fù)雜困難巷道，錨桿使用密度很大，圍巖變形仍然十分劇烈，支護(hù)效果并不理想。通過(guò)跟蹤大量巷道冒頂事故及頂板嚴(yán)重離層變形的工程現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)圍巖變形強(qiáng)烈甚至導(dǎo)致冒頂?shù)脑蚴清^桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度和強(qiáng)度過(guò)低造成的。提高巷道錨桿預(yù)應(yīng)力，可以有效控制巷道圍巖變形量，極大地提高巷道的穩(wěn)定性。

　　康紅普等根據(jù)現(xiàn)有錨桿支護(hù)存在的錨桿預(yù)應(yīng)力小，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果差，支護(hù)剛度低，致使錨桿主動(dòng)支護(hù)作用不能充分發(fā)揮，不能有效控制圍巖離層與破壞等缺點(diǎn)，針對(duì)高地應(yīng)力等復(fù)雜困難巷道條件提出高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作用機(jī)理：

(1)、預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形與破壞，盡量使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，提高錨固區(qū)圍巖的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

(2)、錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用。根據(jù)巷道圍巖條俘確定合理的預(yù)應(yīng)力，并使預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍很有限，錨桿托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件能夠?qū)㈩A(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中，在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮極其重要的作用。

(3)、預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在I臨界支護(hù)剛度。即錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層_鄆拉應(yīng)力區(qū)所囂要支護(hù)系統(tǒng)提供的剛度。支護(hù)剛度的關(guān)鍵影響因素是錨桿預(yù)應(yīng)力，因此，存在錨桿臨界預(yù)應(yīng)力值，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，可以有效控制圍巖變形與離層，而且錨桿受力變化不大。

2、工程地質(zhì)條件

棗泉煤礦11201工作面圓風(fēng)巷處于碎石井背斜軸西翼，巷道位于二煤煤層中，二煤煤厚4．74—9．42m，平均厚7．88m．煤層傾角8。，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)為矩形斷面，掘進(jìn)寬度4800mm，掘進(jìn)高度3850mm。該回風(fēng)巷位于西翼首采區(qū)首采面，靠近碎石井背斜軸部，在掘進(jìn)到1300m左右時(shí)，巷道壓力明顯增大，煤炮聲頻繁，上幫圍巖破碎，巷道頂板及上幫變形較大，多處發(fā)生錨桿、錨索斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度，兩個(gè)半月共掘進(jìn)160m，平均日進(jìn)尺在2m左右，且巷道安全無(wú)法保證，已經(jīng)采用架棚維護(hù)．實(shí)踐證明原有支護(hù)方案已經(jīng)不能滿足高地應(yīng)力巷道支護(hù)，為此，針對(duì)高地應(yīng)力巷道進(jìn)行了高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)井下試驗(yàn)。

3、高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)試驗(yàn)

3.1　錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)巷道高地應(yīng)力特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定支護(hù)方案為：頂錨桿采用直徑22mm長(zhǎng)度2．4m的500號(hào)左旋無(wú)縱筋專用螺紋鋼錨桿，極限拉斷力266kN，屈服力為190kN，延伸率22％；幫錨扦采用直徑20mm長(zhǎng)度2。0m的500號(hào)左旋。無(wú)縱筋專用螺紋鋼錨桿，極限拉斷力200kN，屈服力為160kN，延伸率22％。樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力矩設(shè)計(jì)為400N．m。頂部采用寬280mm、厚3mm的w鋼帶，幫部采用寬280mm、長(zhǎng)450mm、厚5mm的W型鋼護(hù)板等組合支護(hù)構(gòu)件．錨索采用甲17．8mm長(zhǎng)7．3m的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索托板采用300×300×16鋼板制作的拱型托板，錨索預(yù)緊力達(dá)到180kN。錨桿間排距由原來(lái)的800×800mm增大到

1000×1000mm。

體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖1．

3．2支護(hù)效果對(duì)比

3．2．1原支護(hù)方案與新支護(hù)方案對(duì)比

　　從井下現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，支護(hù)效果比原來(lái)支護(hù)有明顯改善，原有錨桿支護(hù)段頂板下沉量在950ram左右，兩幫移近量在770mm左右．高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)頂板下沉量在280mm左右，兩幫移近量在100mm左右，分別比原錨桿支護(hù)巷道降低70％和87％左右，巷道圍巖變形降低幅度非常顯著。頂板和上幫由原來(lái)的隨掘隨冒和片幫嚴(yán)重變?yōu)楝F(xiàn)在的頂板及上幫很平整。掘進(jìn)速度由原來(lái)的日進(jìn)尺2m左右提高到日進(jìn)尺10--12m，掘進(jìn)速度提高了5--6倍，且避免了前掘后修的現(xiàn)象。

3．2．2　高預(yù)應(yīng)力與低預(yù)應(yīng)力支護(hù)效果對(duì)比

　　采用新支護(hù)方案后，開(kāi)始200m由于沒(méi)有購(gòu)進(jìn)專用的預(yù)緊工具，預(yù)緊力矩仍停留在120N．m左右，結(jié)果巷道變形仍然很大，頂板下沉量在740mm左右，兩幫移近量為330mm左右．通過(guò)鉆孔窺視(見(jiàn)圖2、圖3)可以看到：頂板2．4m范圍內(nèi)煤體裂隙已經(jīng)非常發(fā)育，煤體破碎嚴(yán)重．導(dǎo)致錨桿錨固段失效，錨桿失去作用，隨頂板整體下沉。

　　采用專用的預(yù)緊工具后，預(yù)緊力矩達(dá)到400N．m，巷道變形得到有效控制，頂板下沉量減小到280ram左右，兩幫移近量減小薊100ram左右。頂板煤體保持完整，裂隙發(fā)育不明顯。

3．3　高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果分析

　　根據(jù)棗泉煤礦高應(yīng)力巷道井下試驗(yàn)情況，高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的支護(hù)效果主要表現(xiàn)為：通過(guò)大幅度提高錨桿預(yù)緊力及支護(hù)系統(tǒng)的剛度和強(qiáng)度，可有效控制圍巖離層、滑動(dòng)、裂紋擴(kuò)展以及新裂紋的產(chǎn)生等擴(kuò)容變形，顯著減小圍巖離層、變形、破壞范圍與松動(dòng)區(qū)的大小，保持圍巖的完整性與穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

　　高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)在棗泉煤礦高地應(yīng)力巷道中得到成功應(yīng)用，巷道圍巖變形降低70％左右，巷道支護(hù)狀況發(fā)生了本質(zhì)的改變．采用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度和高剛度的主動(dòng)錨桿支護(hù)，使錨桿支護(hù)真正實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)，充分發(fā)揮了錨桿的支護(hù)能力。大幅度提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度與強(qiáng)度可有效減小圍巖變形與破壞范圍，高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)為復(fù)雜困難巷道提供了有效的支護(hù)方式。