王坡煤礦高預應力強力支護系統研究與應用

楊　帥

(山西天地王坡煤業有限公司)

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王坡煤礦高預應力強力支護系統研究與應用

楊帥

(山西天地王坡煤業有限公司)

摘要針對王坡煤礦地質條件，對高預應力強力支護系統進行了研究，并采用理論分析和數值模擬分析方法確定了巷道支護方案。實踐表明：采用高預應力強力支護系統可有效控制巷道圍巖變形，通過一次支護可有效減小巷道圍巖變形，避免了重復修護，大大提高了巷道掘進速度，節約了成本，經濟效益顯著，對于類似礦山有一定的參考價值。

關鍵詞高預應力強力支護系統巷道支護圍巖變形掘進速度

據王坡煤礦井下現場觀測資料統計，3209回風順槽掘進期間變形嚴重的地段，頂底板移近量約1 m，兩幫移近量達2 m，錨桿錨索斷裂現象頻繁出現，為該礦安全生產埋下了嚴重的隱患。由于井下支護材料強度較低以及支護系統剛度較低，導致支護過程中使用的錨桿、錨索數目較多。部分地段支護過度，嚴重影響到了巷道的掘進速度，浪費支護材料；分地段支護強度較低，前掘后修的現象普遍存在，導致采掘接續較緊張。為此，本研究對該礦高預應力強力支護系統進行研究，并對井下支護方案進行探討。

1高預應力強力支護理論

高預應力強力錨桿支護的作用主要為：①控制巷道圍巖結構的完整性，盡可能抑制圍巖離層、層間滑動、生成新裂紋、裂隙擴展等有害變形現象的出現，在支護范圍內形成次生承載層，最大程度地保持巷道圍巖的整體穩定性，提高巷道支護效果[1]；②能夠使得巷道圍巖結構在高預應力的作用下始終處于受壓狀態，抑制圍巖結構有害變形擴展，大大提高支護范圍內巷道圍巖的整體強度和穩定性。高預應力強力支護系統可有效地將高預應力擴散至周圍圍巖結構中，保證巷道的支護效果[2]。單根高預應力錨桿或錨索的作用范圍較小，需通過配套護表構件(如托盤、W型鋼帶和菱形網等)將高預應力充分擴散至距錨固區較遠的巷道圍巖中。因此，錨桿錨索托盤、鋼帶、菱形網等護表構件的聯合使用可有效確保支護效果。

錨桿支護系統的剛度與圍巖的剛度相匹配在整個支護系統中具有重要作用[3]。高預應力強力錨桿支護系統的核心功能是能夠提供高預應力、高剛度，該支護系統能夠有效抑制巷道圍巖的有害變形，提高巷道支護的可靠性，確保安全生產[4-6]。對于采動影響較大，巷道圍巖破碎的巷道，應盡可能通過一次支護達到巷道支護的預期效果，避免重復修護、前掘后修現象出現。高預應力強力支護系統可大大提高巷道的掘進速度，降低掘進成本。高預應力高強度的錨索支護在復雜條件巷道工程支護過程中的作用為：①提高錨桿支護形成的次生承載結構的穩定性，使次生承載結構與深部圍巖形成一個整體共同承載；②在高預應力的作用下周圍巖層始終處于擠壓狀態，有效控制圍巖變形破壞，大增強巷道圍巖抵抗破壞變形的能力[7]。

2高預應力強力支護系統

(1)強力錨桿桿體。錨桿桿體為左旋無縱筋螺紋鋼筋，桿體直徑22 mm，長2.4，2.0 m，采用BHRB500材質鋼筋，極限拉斷力255 kN，屈服力200 kN，延伸率17%，錨桿桿尾螺紋采用滾壓加工工藝成型，規格M24，錨桿附件采用與該錨桿力學性能相配套的高強度拱形托盤及高強度轉向球等。

(2)強力W鋼帶。W強力鋼帶可將支護系統的高預應力和工作阻力擴散至圍巖中，使錨桿錨索受力趨于均衡，大大提高巷道整體的支護能力。強力W鋼帶與強力錨桿、錨索的力學性能以及巷道圍巖體強度、剛度的有效匹配，可最大限度地提高系統的支護效果。

(3)強力錨索。小孔徑錨索的鋼絞線(1股×7根)直徑較小，與鉆孔直徑的徑差較大，樹脂錨固劑利用率低，錨固效果差。鋼絞線破斷載荷較小，在復雜條件的回采巷道中鋼絞線破斷現象頻繁發生。鋼絞線延伸率偏低，不利于巷道圍巖集中應力的釋放，導致支護難度增大。王坡煤礦3209回風順槽支護采用延伸率大、柔性好、高強力鋼絲(1(股)×19(根))捻制結構的錨索鋼絞線，其斷裂時延伸率達到7%，真正實現了大直徑、大噸位及高延伸率。采用高強度拱形可調心金屬托盤及配套鎖具，使錨索的受力狀態更加合理，充分發揮了該類錨索的支護能力。

3高預應力強力支護方案及效果

3.1地質條件

王坡煤礦3#煤層柱狀圖見圖1。3209回風順槽斷面為矩形，巷寬 4. 5 m，巷高3. 1 m，沿煤層底板掘進，3209回風順槽東側臨近3207采空區，西側為實體煤。由于受采空區動壓明顯的影響，3209回風順槽巷道圍巖受到較大程度的擾動，且煤層裂隙較發育，地質構造復雜導致回采巷道變形嚴重。采用以往的支護方式時，巷道變形較嚴重，修復率較高，變形最為嚴重的地段，頂底板移近量達1 m，兩幫移近量達2 m，給礦井生產埋下了嚴重的安全隱患。

3.2支護方案

結合王坡煤礦的實際情況以及3209回風順槽的維護經驗，在對幾類支護方案進行數值模擬分析的基礎上，確定了巷道的支護參數。巷道采用高預應力強力支護系統，錨桿為φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，頂板錨桿排距1 m，間距1.2 m，每排布置4根；幫錨桿排距1 m，間距1.1 m，每排布置6根。錨索采用φ22 mm的1(股)×19(根)強力錨索，間距1.7 m，排距2 m。采用強力W鋼帶，配合高強度拱形錨桿托盤，同時配合菱形金屬網護表。該支護方案掘進后巷道圍巖應力、位移變化的數值模擬結果分別見圖2、圖3。

圖1　3#煤層柱狀圖

圖2　應力分布

圖3　位移分布

由圖2、圖3可知：采用該支護方案的情況下，應力集中區域主要分布于巷道頂底板處，巷道掘進后巷道頂部垂直向下的最大位移為39 mm，巷道最大底鼓量為38 mm，巷道水平位移最大為52 mm，巷道掘進后塑性破壞區主要分布于巷道四周，頂板及兩幫由于有錨桿及錨索支護，巷道圍巖變形得到了有效控制。

3.3支護效果

王坡煤礦3209回風順槽采用高預應力強力支護系統后，巷道礦壓監測結果表明：巷道最大頂底板移近量為68 mm，兩幫最大移近量為112 mm，頂板幾乎無離層現象，巷道圍巖較完整，未出現重復修護現象、在掘進期間，頂底板及兩幫圍巖變化較好，巷道支護效果良好，表明高預應力高強支護系統可有效避免圍巖有害變形的出現，大大提高了支護范圍內巷道圍巖的整體強度和穩定性。

4結語

針對王坡煤礦地質條件，結合高預應力強力支護系統，提出了高預應力強力巷道支護方案。該礦3209回風順槽應用結果表明，該支護系統可有效確保巷道圍巖結構的完整性，使巷道頂板和兩幫圍巖處于受壓狀態，抑制圍巖結構有害變形的出現，較高的延伸率使得巷道圍巖中產生的集中應力得以釋放，大大提高了支護系統的可靠性，經濟效益顯著，可供類似礦山參考。

參考文獻

[1]康紅普，王金華，林健.高預應力強力支護系統及其在深部巷道中的應用[J].煤炭學報，2007，32(12)：1233-1238.

[2]康紅普，姜鐵明，高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報，2007，32(7)：673-678.

[3]張農，高明仕.煤巷高強預應力錨桿支護技術與應用[J].中國礦業大學學報，2004，33(5)：524-527.

[4]顏立新，康紅普.金川不良巖體巷道支護技術可行性研究[J].煤礦開采，2002(1)：34-36.

[5]康紅普.煤巷錨桿支護成套技術研究與實踐[J].巖石力學與工程學報，2005，24(21)：3959-3964.

[6]何滿潮，袁和生.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004．

[7]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007.

(收稿日期2016-03-30)

楊帥(1988—)，男，助理工程師，048021 山西省晉城市澤州縣下村鎮。