深井高地壓煤巷錨桿支護技術(shù)探討

【摘 要】顧橋礦屬深井高地壓礦井，巷道支護一直是困擾礦井發(fā)展的難題，如何進一步提高錨桿支護質(zhì)量，確保支護的安全性和可靠性，提高錨桿支護設(shè)計的科學(xué)性和實用性，進一步降低支護成本，是當前煤巷錨桿支護工作的重要內(nèi)容，也是每一位工程技術(shù)人員的重要職責。

【關(guān)鍵詞】高地壓；支護技術(shù)；效果分析

概況

顧橋礦是淮南礦業(yè)集團實施“建大礦、辦大電、做資本”發(fā)展戰(zhàn)略，建設(shè)國家億噸級煤炭基地和大型煤電一體化新型能源基地的核心工程，顧橋礦屬深井高地壓礦井，為有效治理顧橋礦深井地壓問題，尋求技術(shù)上、經(jīng)濟上均合理的巷道支護體系，根據(jù)礦井現(xiàn)有巷道支護和頂板管理現(xiàn)狀及主要可采煤層頂、底板巖性等地質(zhì)條件，我們在1115（1）工作面順槽進行了相關(guān)實驗，取得較高的經(jīng)濟效益。

1 煤巷錨桿支護技術(shù)體系

“三高一大”，即：高強度、高剛度、高預(yù)應(yīng)力和錨索的大托盤（400mm×400mm）。

巷道開挖后巷道圍巖發(fā)生結(jié)構(gòu)變形和松動擴容變形，理論和實踐觀測表明，結(jié)構(gòu)變形通常占整個變形的40%，而松動擴容變形占60%。

煤巷錨網(wǎng)支護的圍巖控制應(yīng)著重控制這二種變形，通過錨桿的初始預(yù)緊力一開始就對圍巖進行強有力的預(yù)緊作用，消除圍巖的初期松動和變形，從而調(diào)動圍巖整體承載能力，而不是等待圍巖產(chǎn)生松動變形后再去懸吊松垮的圍巖，這是高預(yù)緊力錨桿支護技術(shù)的主要理念。

1.1 錨桿支護的主要作用

1）錨桿主要作用是改善發(fā)生塑性變形和破壞的煤巖體力學(xué)性質(zhì)，提高其屈服后強度，改變屈服后煤巖變形特性，使破壞變得比較平緩。

2）錨桿對節(jié)理、層理、裂隙不連續(xù)面作用：通過錨桿提供軸向力與切向力，提高不連續(xù)面抗剪強度，阻止離層與滑動。提高結(jié)構(gòu)面強度，提高節(jié)理煤巖體整體強度、完整性與穩(wěn)定性。

3）錨桿給圍巖施加壓應(yīng)力，改善應(yīng)力狀態(tài)。對于受拉區(qū)域，可抵消部分拉應(yīng)力，提高圍巖抗拉能力；對于受剪區(qū)域，通過壓應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力，提高圍巖的抗剪能力

1.2 錨桿支護技術(shù)的關(guān)鍵因素

1）對錨桿施加較大預(yù)應(yīng)力，并通過托板、鋼帶等構(gòu)件實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴散。

2）采用加長錨固或全長錨固，使桿體對圍巖離層、錯動非常敏感，能及時抑制離層與錯動。

1.3 錨桿預(yù)應(yīng)力的作用

提高錨桿預(yù)拉力是保證巷道穩(wěn)定性、控制層狀頂板巖體軟弱面離層的最有效、最經(jīng)濟手段，可以充分發(fā)揮高強度支護材料的能力，形成有效的支護強度，為解決層狀頂板地下工程的支護難題探索新的途徑。

1.4 預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)體系的主要內(nèi)容

1）錨桿預(yù)拉力（或稱初撐力）的大小對頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用。當預(yù)拉力大到一定程度時，錨桿長度范圍內(nèi)和錨桿長度以上的頂板離層得以消除。同時頂板的垂直壓力被轉(zhuǎn)移到巷道兩側(cè)巖體縱深，巷道兩側(cè)附近巖體的壓力減少，片幫現(xiàn)象緩和。

2）錨桿的作用在于給頂板及時提供很高的初撐力以形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。

3）通過對錨桿施加較大的預(yù)拉力可以充分利用水平應(yīng)力來維護頂板穩(wěn)定性。

4）錨桿參數(shù)和預(yù)拉力的合理配置可以使錨桿長度之內(nèi)和錨桿長度之外的上覆頂板巖層都不存在離層破壞。當預(yù)拉力達到一定值后頂板巖層在不同的層位會出現(xiàn)一定的正應(yīng)變和負應(yīng)變，其累計值還不足以造成明顯的頂板下沉，即預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)（梁）可以做到不出現(xiàn)橫向彎曲變形，只有縱向的微小的膨脹和壓縮變形。

1.5 深部巷道確定錨桿支護參數(shù)的原則

以高強錨桿為基礎(chǔ)以高預(yù)緊力為核心的深部巷道錨桿支護參數(shù)的確定原則為：

1）高預(yù)應(yīng)力（桿體屈服載荷的30-50﹪）、加長或全長錨固；

2）預(yù)應(yīng)力擴散，增大護表構(gòu)件的剛度和強度；

3）組合支護，錨桿錨索匹配，保證支護整體性能；

4）臨界支護強度、剛度概念，不能低于臨界值；

5）高強度、高剛度、高可靠性，低密度；

2 支護效果分析

2.1 工作面順槽煤巷錨桿支護

典型巷道是1115（1）工作面軌道順槽。選取兩個較為典型的測點進行統(tǒng)計后得到在巷道掘進期間的圍巖變形速度和變形量曲線見圖1所示。

由圖1可以看出，巷道在開挖后的5—7天內(nèi)進入穩(wěn)定狀態(tài)，但經(jīng)過一段時間后再觀測時巷道仍有較小的變形量，表明深部巷道圍巖變形表現(xiàn)出脆-塑性轉(zhuǎn)化、流變及明顯的擴容特性。巷道變形表現(xiàn)出明顯的時間效應(yīng)：即初期來壓快、變形顯著，當圍巖變形穩(wěn)定后，圍巖還以一定速度長期處于流變狀態(tài)。圍巖的總體變形量不大，頂板最大下沉量為77mm，兩幫最大移近量為90mm。巷道整體支護效果見圖5。

根據(jù)礦壓觀測結(jié)果分析認為：在深井大跨度三軟煤層的條件下，采用高強長錨桿和錨索加強支護，通過較高的預(yù)緊力充分調(diào)動圍巖的自穩(wěn)能力，對頂板形成了穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu)，有效抑制了頂板離層，對巷道開挖后的圍巖變形起到了很好的控制作用，在掘進期間把巷道的圍巖變形控制在了合理的范圍之內(nèi)。

2.2 技術(shù)經(jīng)濟效果分析

顧橋煤礦在1115（1）工作面上順槽開展了煤巷錨桿支護技術(shù)工業(yè)性試驗，采用新型超高強錨桿支護系統(tǒng)，順利完成了1115（1）工作面上順槽2100m的井下工程，試驗與應(yīng)用取得了成功。

2.2.1 直接成本計算

1）錨帶網(wǎng)支護成本計算。

每排17根錨桿，3條鋼帶，錨梁為“3-2-3”布置方式，加金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，考慮每孔2個樹脂藥卷。

直接成本計算如下：

錨桿45×17=765元

鋼帶160+100×2=360元

錨索梁（180×2+80）×0.5=220元

錨索180×3×0.5=270元

金屬網(wǎng)12.2×10=122元

藥卷5×31.5=157.5元

排距0.8m

每排合計1894.5元，每米成本1894.5/0.8=2368元

2）單純架設(shè)U型鋼棚（29#）成本計算。

直接成本計算如下：

按跨度5.0m，墻高1.4m，計算全斷面維護長度10.65m。

每米理論重量29kg

排距0.6m

U型鋼（29#）市場價格5100元/t

每排價格5100×29×10.65/1000=1575.1，每米成本567.74/0.6=2625元

2.2.2 經(jīng)濟效果對比

錨帶網(wǎng)支護成本：2368元/米；

U型鋼支護成本：2625元/米；

采用錨帶網(wǎng)梁支護后每米成本與U型棚相比節(jié)省支護費用257元；

1115（1）工作面上順槽實體煤巷累計長度2100米

與U型棚相比共計節(jié)約直接成本257×2100=539700元

3 結(jié)束語

采用錨網(wǎng)支護材料的運輸簡單，巷道總體掘進速度快，工人的勞動強度低，受到了現(xiàn)場施工工人的歡迎和好評；錨網(wǎng)支護時工作面回采不考慮回棚撤棚的工序，為后期的回采做出了很大貢獻；采用錨網(wǎng)主動支護的效果較之棚式被動支護有了質(zhì)的飛躍，為類似條件下推廣應(yīng)用做出了貢獻。

作者簡介：

王立冬（1981.12----），男，安徽天長人，工程師。2005年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)土木系，現(xiàn)在淮南礦業(yè)集團顧橋礦從事煤礦施工技術(shù)管理工作，擔任掘進區(qū)區(qū)長。

（作者單位：淮南礦業(yè)集團顧橋礦）