高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護技術(shù)的應(yīng)用實踐

周躍飛

(西山煤電集團 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200)

·試驗研究·

高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護技術(shù)的應(yīng)用實踐

周躍飛

(西山煤電集團 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200)

在分析山西某礦5107工作面專用瓦斯排放巷存在的支護問題的基礎(chǔ)上，論述了錨桿索桁架支護技術(shù)組成方式和作用機理，借助于數(shù)值模擬手段，對優(yōu)化后的錨桿索支護方案和原有支護方案下的巷道圍巖受力變形情況進行對比分析，論證了前者的支護效果，實踐應(yīng)用過程中巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果表明，錨桿索桁架支護布置有效改善了圍巖應(yīng)力分布，控制了離層變形，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟性。

高預(yù)應(yīng)力；錨桿索桁架；數(shù)值模擬；變形監(jiān)測

科學(xué)合理的巷道支護方式是保障井工煤礦安全高效生產(chǎn)的核心要素之一，錨桿索聯(lián)合支護理論與技術(shù)的成熟發(fā)展，為大量的煤巷支護難題提供了解決方案，并得到廣泛的推廣應(yīng)用。工程應(yīng)用效果表明，傳統(tǒng)錨桿索支護是被動支護，隨著煤層開采條件復(fù)雜化程度的加劇，支護效率逐漸降低，已難以從根本上保證復(fù)雜巷道支護結(jié)構(gòu)的安全性。為了更好地發(fā)揮錨桿索聯(lián)合支護的潛力，專家學(xué)者們在大量實踐的基礎(chǔ)上，相繼提出了預(yù)應(yīng)力支護的概念并展開研究，張農(nóng)從理論上探討了層狀頂板預(yù)應(yīng)力控制與錨桿索支護機理，并系統(tǒng)性地提出了預(yù)應(yīng)力支護體系，馬念杰分析了煤巷小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索的工程特性，指出錨索的工程力學(xué)性能和錨索構(gòu)件的力學(xué)性能是錨索支護設(shè)計的兩個重要指標(biāo)，并提出錨索的破斷力和錨索延伸量計算的經(jīng)驗公式，何富連對新型預(yù)應(yīng)力桁架錨索技術(shù)進行了深入研究，進一步闡明了桁架錨索支護的作用機理和優(yōu)越性。

山西某新建現(xiàn)代化礦井屬于高瓦斯礦井，主采3#煤層，平均埋深510 m左右，屬于三軟煤層，在煤層巷道礦壓控制與錨桿(索)支護方面投入巨大的財力、物力，也取得了一定的成效，但巷道受采動影響劇烈，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)惡性冒頂和嚴重的離層下沉，錨桿(索)支護構(gòu)件損毀嚴重，給巷道維護帶來巨大挑戰(zhàn)，需進一步優(yōu)化支護方案。為了更好地制定針對性的巷道支護方案，以5107工作面專用瓦斯排放巷為依托，開展高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護工藝研究并進行效果分析，以期為礦井其它類似巷道支護提供參考。

1 巷道概況

5107工作面專用瓦斯排放巷為進風(fēng)及輔助運輸巷，右側(cè)毗鄰5106工作面回風(fēng)巷，瓦斯巷斷面形狀為矩形布置，斷面尺寸為寬4.5 m×高3.0 m. 受采動影響劇烈，巷道頂板采用錨桿索聯(lián)合支護，配以規(guī)格為長4 500 mm×寬220 mm×厚4 mm的W形鋼帶和規(guī)格為4 800 mm×1 000 mm金屬菱形網(wǎng)護頂；兩幫為錨桿支護，采用規(guī)格為長2 600 mm×寬1 000 mm金屬菱形網(wǎng)護幫。該工作面專用瓦斯排放巷支護布置示意圖見圖1.

圖1 5107工作面專用瓦斯排放巷支護布置示意圖

2 存在的問題

1) 5#煤層煤質(zhì)松軟，頂板為多層泥巖組成的復(fù)合頂板，局部區(qū)域的直接頂有4#煤，層厚0～0.1 m. 層理裂隙發(fā)育，分層厚度0.1～0.3 m，裂隙間距0.1～0.5 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生離層破壞和垮落；底板為泥巖，強度較低，易發(fā)生底鼓變形。

2) 區(qū)段順槽巷道服務(wù)時間長，每條順槽巷道長度達1 600～1 800 m，中間巷順槽屬于復(fù)用巷道，既受綜采面采動超前支承壓力的影響，又受采后支承壓力劇烈影響，需經(jīng)歷順槽掘進期、切眼掘進期、回采設(shè)備安裝期、采面銜接期、采動劇烈影響期，變形破壞時間很長。

3) 巷道斷面跨度大，拉應(yīng)力集中于頂板中部，基本的錨桿(索)、錨網(wǎng)支護不利于巷道煤巖處于多維應(yīng)力狀態(tài)，已不能滿足劇烈采動影響下的支護需求，致使離層破壞范圍擴大，頂板冒落幾率增加，影響掘進速度和形成瓦斯積聚，不利于煤礦生產(chǎn)安全。

4) 采動劇烈影響導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)惡性冒頂和嚴重的離層下沉，錨桿(索)支護構(gòu)件損毀嚴重，煤幫出現(xiàn)向巷道內(nèi)整體大內(nèi)移、垮幫或嚴重鼓幫，巷道支護系統(tǒng)大范圍損毀，導(dǎo)致礦井出現(xiàn)綜采面銜接異常緊張的局面。

3 高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護機理

3.1 支護形式

高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架是由傾斜錨桿或錨索、專用連接器及拉桿、張拉千斤頂和錨固劑組成。其基本的支護結(jié)構(gòu)是：在巷道頂板靠近兩幫的位置，分別布置一根錨桿或錨索，錨固至有效支撐的頂板巖層中，兩端經(jīng)專用連接器用拉桿連接起來，并通過張拉千斤頂施加一定的預(yù)應(yīng)力，使錨桿或錨索和拉桿形成一個支護整體，從而改善頂板應(yīng)力分布狀態(tài)。

3.2 支護原理

高預(yù)應(yīng)力錨索桿桁架的錨固點和承載結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是處于巷道深處呈穩(wěn)定受壓狀態(tài)的兩肩窩，通過加固巷道淺部煤巖體，提高淺部巖體的力學(xué)性能，使其形成一個受力整體。錨桿索桁架支護系統(tǒng)發(fā)揮作用后，可提供多維主動支護力，使巷道頂板巖層內(nèi)形成鉛錘方向和水平方向的擠壓應(yīng)力區(qū)，改善了巖體的受力狀態(tài)，削弱頂板彎曲引起的拉應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?yīng)狀態(tài)，減小甚至消除頂板的下沉量，維護了頂板的穩(wěn)定性。高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架受力分析見圖2.

圖2 高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架受力分析圖

4 錨桿索桁架支護的數(shù)值模擬與分析

4.1 支護方案與參數(shù)

經(jīng)多方論證后，采用錨桿索桁架支護技術(shù)對5107工作面專用瓦斯抽放巷原有支護方式進行優(yōu)化，優(yōu)化后的巷道支護布置見圖3，具體支護參數(shù)如下：

1) 頂板支護。

a) 錨桿支護。錨桿尺寸為d20 mm×2 200 mm，錨固長度800 mm，排距1 600 mm，每排7根，錨桿間距650 mm，孔口幫距500 mm. 預(yù)緊力矩大于180 N·m，錨固力不小于100 kN，兩幫錨桿與鉛垂線夾角為10°，其余錨桿均為豎直布置；W形鋼帶規(guī)格為長4 500 mm×寬220 mm×厚4 mm，鉆孔直徑40 mm，7孔布置，鋼帶兩端最外側(cè)兩根錨孔間距650 mm，其它錨孔間距700 mm.

b) 錨索支護。

單體錨索。

錨索尺寸為d17.8 mm×9 300 mm，錨固長度1 200 mm，沿頂板豎直布置。錨索間距1 000 mm，排距1 600 mm，每排布置5根錨索。兩端錨索孔口幫距為250 mm.

鐵托板選用特制鑄鋼材質(zhì)，護頂采用金屬菱形網(wǎng)，規(guī)格4 800 mm×1 000 mm.

桁架錨索。

錨索尺寸為d17.8 mm×9 300 mm，錨固長度1 200 mm，底部桁架長2 100 mm，孔口幫距1 200 mm，錨索與鉛垂線夾角為20°，桁架錨索之間的排距為1 600 mm，預(yù)緊力為140 kN.

2) 巷道兩幫支護。

a) 錨桿支護。

錨桿尺寸d20 mm×3 000 mm，錨固長度1 200 mm，排距800 mm，每排4根，間距800 mm，孔口幫距500 mm，預(yù)緊力矩大于140 N·m，錨固力不小于70 kN. 靠近頂板的錨桿與水平線夾角為10°，其余錨桿均水平布置。

網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬菱形網(wǎng)護幫，規(guī)格為長2 600 mm×寬1 000 mm.

b) 錨索支護

錨索尺寸為d17.8 mm×5 300 mm，錨固長度為1 200 mm，沿頂板豎直布置。排距1 600 mm，兩根幫錨索孔口距離1 200 mm. 下位錨索鉆孔與水平線夾角為-5°，上位錨索鉆孔與水平線的夾角為+10°.

圖3 高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架支護布置圖

4.2 數(shù)值模擬模型的建立

依據(jù)5107工作面專用瓦斯排放巷現(xiàn)場實際的地質(zhì)條件，借助于有限元差分數(shù)值仿真軟件FLAC3D，建立二維數(shù)值模擬計算模型，對支護方案的支護效果進行數(shù)值模擬分析，相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)見表1，計算模型見圖4.

圖4 數(shù)值模擬模型圖

序號材料密度/kg·m-3剪切模量/GPa體積模量/GPa黏結(jié)力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強度/MPa1砂質(zhì)泥巖266021.239.115.3346.02細粒砂巖266311.316.520.9403.93灰砂泥巖25008.213.011.5311.043#煤14000.91.892.5280.95砂質(zhì)泥巖25008.313.011.0311.06灰色中砂巖260024.341.216.7366.97黑砂泥巖24508.012.510.0311.28細粒砂巖266021.239.115.3346.09泥巖24508.012.510.3311.510細粒砂巖267620.838.113.7325.8

4.3 模擬結(jié)果分析

通過設(shè)不同的邊界條件和初始參數(shù)值，分別對原先和優(yōu)化后的支護方式下的塑性區(qū)分布范圍、垂直應(yīng)力和垂直位移量進行數(shù)值模擬計算，模擬圖見圖5，頂板豎直應(yīng)力分布曲線，垂直位移變化曲線分別見圖6，7.

圖5 巷道塑性區(qū)分布情況模擬圖

圖6 頂板豎直應(yīng)力分布曲線圖

圖7 頂板垂直位移變化曲線圖

從圖5可看出，采用錨桿索桁架支護后，在多維主動支護力的作用下，淺部處于松動圈內(nèi)的塑性巖塊被緊密束縛在深部完整巖體上，圍巖塑性區(qū)范圍得到了很大程度地減小，抑制淺部巖層離層、裂隙張開，圍巖破碎程度將有所緩解。

從圖6，7可知，隨著距巷道頂板下端距離的增加，兩種支護方式下的頂板豎直應(yīng)力和垂直位移均以近乎平行線的形式增長，錨桿索桁架支護下的豎直應(yīng)力減小1.2 MPa，而垂直位移減小了0.03 m左右，說明優(yōu)化后的支護方案效果更佳。

5 巷道礦壓觀測

為了觀測采動劇烈影響下垮冒煤巷的礦壓顯現(xiàn)情況，檢驗新支護方案參數(shù)設(shè)計的合理性與適用性，設(shè)置相應(yīng)的測站，對圍巖表面位移、頂板離層狀況、錨桿載荷變化情況進行觀測。5107工作面專用瓦斯排放巷試驗段長度為1 600 m，巷道礦壓觀測站布置情況見圖8，初期試驗段巷道圍巖表面位移觀測共安設(shè)3個測站，其余地段每隔200 m安設(shè)一個測站，計6個測站，總共設(shè)立9個測站。剔除部分偏差較大數(shù)據(jù)，得到 5107工作面專用瓦斯排放巷圍巖表面位移隨時間變化的趨勢，見圖9.

圖8 巷道礦壓測站布置圖

圖9 5107工作面專用瓦斯排放巷圍巖表面位移曲線圖

由圖9可以看出，在完成巷道支護后的20天內(nèi)，巷道頂板和兩幫圍巖位移量快速增加，但巷道斷面收斂率整體不大，兩幫移近量最大不超過120 mm，頂板下沉量最大不超過80 mm；20～40天，巷道圍巖變形量增速放緩，且趨于穩(wěn)定；40～70天，巷道圍巖處于受力平衡狀態(tài)，變形微弱，兩幫累積變形量穩(wěn)定在200 mm左右，頂板累積下沉量穩(wěn)定在120 mm左右。

第80天后，受采動影響，巷道新建立的平衡狀態(tài)被打破，巷道斷面收斂率迅速提高，在采動后所觀測的兩個多月中，兩幫最大累積移近量為400 mm，頂板最大累積下沉量為300 mm，其中頂板支護情況良好，底鼓現(xiàn)象較原先支護條件下明顯減少，在回采面后方100 m處底鼓量最大處的巷道高度仍有2.7 m，監(jiān)測期內(nèi)未出現(xiàn)支護結(jié)構(gòu)失效等嚴重礦壓現(xiàn)象，可見錨桿索桁架較好地發(fā)揮了深部圍巖的自承能力，使得更大范圍的巖體共同承擔(dān)采動壓力，從而有效地控制了巷道頂板變形。

6 結(jié) 語

5107工作面專用瓦斯排放巷的支護實踐表明，錨桿索桁架及鋼帶形成一個立體的支護體系，能在巷道頂板巖層深處形成鉛錘方向和水平方向的擠壓應(yīng)力區(qū)，有效抑制了圍巖破壞變形，且具有施工簡單、后續(xù)工程量少、費用低等優(yōu)勢，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟效益，為軟弱、破碎、穩(wěn)定性差的煤巷支護難題的攻克提供了良好的思路。

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0018-04

2017-04-02

周躍飛(1984—)，男，山西古交人，2013年畢業(yè)于東北大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦開掘技術(shù)管理工作(E-mail)3527925403@qq.com