不同條件下錨桿支護(hù)方式的應(yīng)用研究

侯宇斌

(山西潞安工程有限公司，山西 長(zhǎng)治 046300）

在采礦工程項(xiàng)目的開(kāi)展中，當(dāng)遇到巷道挖掘的施工問(wèn)題時(shí)，常常要根據(jù)實(shí)際情況采取不同的施工措施。通常需要先將待開(kāi)采煤層周圍的巖體搗碎，再因地制宜選擇相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)支撐住巷道空間，由此保障煤礦的開(kāi)采具有足夠的作業(yè)空間，使得煤礦巷道的掘進(jìn)工作能夠有條不紊地進(jìn)行，而錨桿技術(shù)已經(jīng)成為煤炭行業(yè)進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)的首選方案。

1 煤礦巷道掘進(jìn)中錨桿支護(hù)技術(shù)的使用條件

通常煤炭行業(yè)在進(jìn)行巷道掘進(jìn)工作時(shí)，首先都會(huì)考慮巷道周圍巖石的堅(jiān)固度，它影響著錨桿支護(hù)技術(shù)的選擇。周圍巖層足夠的堅(jiān)韌，錨桿支護(hù)技術(shù)在運(yùn)用時(shí)可以起到很好的支撐保護(hù)作用，而且周圍巖石的堅(jiān)固度還在對(duì)于地質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度的承載負(fù)荷能力。足夠的堅(jiān)韌度可以保證在出現(xiàn)地壓過(guò)大情況時(shí)，頂板不會(huì)出現(xiàn)位移變化過(guò)大的情況，從而較好地發(fā)揮出錨桿支護(hù)的支撐保護(hù)作用。其次，在進(jìn)行巷道掘進(jìn)工作時(shí)，會(huì)對(duì)礦山的壓力造成一定的影響，導(dǎo)致礦山周圍巖層出現(xiàn)變形，而變形發(fā)展到一定程度可能引起巖石的斷裂，從而擠壓到煤炭巷道，擠壓會(huì)引起巖體位移或者壓松煤層的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致巖層或地表出現(xiàn)塌陷事故。當(dāng)施工過(guò)程遇到礦上壓力的作用,導(dǎo)致冒頂、底鼓、煤巖片幫、支架破壞等現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，若不采取有效的措施，可能會(huì)導(dǎo)致煤炭施工過(guò)程中出現(xiàn)安全事故。另外，煤炭采掘過(guò)程會(huì)受巷道斷面形狀及尺寸的影響，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同的斷面，不同的斷面上又分布著不同的應(yīng)力，也會(huì)影響到錨桿支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道周圍巖石的支撐作用。

2 錨桿支護(hù)技術(shù)在軟巖巷道中的應(yīng)用

在選擇使用錨桿支護(hù)技術(shù)前，依照慣例會(huì)對(duì)地應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，采用鉆孔觸探的辦法來(lái)測(cè)量井下煤炭巖層的硬度，而鉆孔主要是為了衡量地下巖層能夠承受多強(qiáng)的壓力，從而根據(jù)巖層的堅(jiān)硬度特點(diǎn)合理運(yùn)用錨桿支護(hù)技術(shù)。軟巖礦井煤層的膠結(jié)相對(duì)較差，能夠經(jīng)受的強(qiáng)度比較低，遇到水容易發(fā)生膨脹現(xiàn)象，而且還容易受到風(fēng)化作用的影響，因此在進(jìn)行巷道掘進(jìn)工作時(shí)常常要面臨很大的難度[1]。

在進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，遇到過(guò)比較典型的軟巖構(gòu)造，由于其上部的巖層已經(jīng)進(jìn)行過(guò)回采工程，兩個(gè)煤層之間的底板距離只有6m，最遠(yuǎn)不超過(guò)9m。另外，煤層之中還隱藏著其他的巖層，巖層的整體厚度積累到了5.99m，傾角達(dá)到15～16°，在測(cè)量后得知該單軸煤炭能夠經(jīng)受的強(qiáng)度只有4.8MPa,而頂板和底板同為砂質(zhì)泥巖，其中頂板能夠經(jīng)受的強(qiáng)度為15～25MPa，單軸雖然具有易膨脹的特性，但抗壓強(qiáng)度也只能達(dá)到23.5MPa，而巖層的最大地應(yīng)力方向位于N72°E，強(qiáng)度是14.62MPa,最小地應(yīng)力垂直的主應(yīng)力是9.68MPa，強(qiáng)度為7.35MPa。基于以上測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)選擇使用樹(shù)脂全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固組合支護(hù)作為巷道掘進(jìn)的工具。

圖1 軟巖回采巷道錨桿支護(hù)布置圖

這套工具中的錨桿材質(zhì)為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，Φ22mm，長(zhǎng)度為2.4m，頂板每排要有距離為900mm的7根錨桿，間隔850mm。如圖1所示，每排每幫還要有2根間距為600mm的錨桿，其中預(yù)緊力矩為400N·m。等到錨桿安裝完畢后，便逐漸開(kāi)始給錨桿施加預(yù)應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了受力減少的情況。等到距離巷道掘進(jìn)的工作面只有19m的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)受力開(kāi)始有所增加，直到距離工作面119m后才漸漸趨于穩(wěn)定，而在這個(gè)過(guò)程中錨桿受力的變化幅度并不大，能夠穩(wěn)定控制在5kN左右。

3 錨桿支護(hù)技術(shù)在巖石巷道中的應(yīng)用

在煤炭的巷道掘進(jìn)工作中，常會(huì)采用二次支護(hù)的技術(shù)手段來(lái)解決千米深井高地應(yīng)力巷道支護(hù)工作，但這種技術(shù)的弊端在于不能將巷道周圍巖石遭遇劇烈變形的情況進(jìn)行有效控制，因此還要重視對(duì)于高預(yù)應(yīng)力以及強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)的使用[2]。潞安工程公司遇到過(guò)一個(gè)運(yùn)行了多年-1100m的大巷，它的深度達(dá)到1270m，而介于7-9之間的煤巖層走向是300～310°，傾角是30～33°，主要由粉砂巖和中砂巖組成。測(cè)量后得知巖石主應(yīng)力的方向是N3°E，介于22.8MPa和42.2MPa之間，其中垂直主應(yīng)力為30.5MPa。最重要的是，當(dāng)時(shí)巷道斷面形狀類似于一個(gè)直墻半圓的拱形，寬度是3.7m，墻高2m，還測(cè)出巷道掘進(jìn)時(shí)的斷面面積大概是12.8m2。基于以上測(cè)量數(shù)據(jù)，選擇了用高預(yù)應(yīng)力的樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固強(qiáng)力錨桿支護(hù)，并且還需要在其中運(yùn)用混凝土進(jìn)行加固。

圖2 深部層巖石大巷錨噴支護(hù)布置

潞安工程公司選擇的錨桿材質(zhì)是左旋無(wú)縱筋錨桿專用螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.4m，錨桿桿體Φ25mm，可經(jīng)受的最大壓斷力是400kN，屈服力為294kN,延伸率達(dá)到18%，如圖2所示，頂板和錨桿的排距是800mm,每排設(shè)置有12根錨桿，底板的錨桿設(shè)為每間隔1000m就排有3根，距離為800mm。等到開(kāi)始進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，還在其中噴灑厚度30mm的混凝土，加固了錨桿的支撐力，而且還能將巷道中超挖的部分填上。等到錨桿安裝完畢后，便開(kāi)始在掘進(jìn)工作面50m處對(duì)錨桿進(jìn)行施工，并再次噴灑混凝土120mm用來(lái)加固。后來(lái)在巷道掘進(jìn)工作進(jìn)行到11d，距離達(dá)到22m時(shí)，發(fā)現(xiàn)頂部較淺部分的離層量達(dá)到了33mm，而深部離層量則達(dá)到了9mm，總離層量是42mm。在掘進(jìn)過(guò)程中，潞安工程公司發(fā)現(xiàn)錨桿的受力范圍是105～125kN，頂板錨桿的受力則達(dá)到了100kN，在巷道中進(jìn)行的整體掘進(jìn)工作比較順利，而且?guī)缀鯖](méi)有產(chǎn)生位移的變化。因此，高預(yù)應(yīng)力的樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固強(qiáng)力錨桿支護(hù)能夠適合千米深井應(yīng)力巖層的支護(hù)要求。

4 錨桿支護(hù)技術(shù)在動(dòng)壓強(qiáng)烈巷道中的應(yīng)用

煤炭巷道掘進(jìn)工作的開(kāi)展需要顧及到方方面面的因素，而錨桿支護(hù)技術(shù)的選擇同樣也與巷道開(kāi)挖表面的巖層構(gòu)造有關(guān)[3]。因此，在應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)時(shí)，可以選擇效果最佳的錨桿支護(hù)技術(shù)，控制圍巖離層或滑動(dòng)等不利因素所造成的影響。一些煤礦在長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)中，會(huì)形成巷道掘進(jìn)與采煤工作對(duì)穿的強(qiáng)烈動(dòng)壓，會(huì)影響到巷道掘進(jìn)工作的安全。2202巷道工作面正在進(jìn)行回采工作，與潞安工程公司目標(biāo)巷道2203之間相距23m，其中還有一條回風(fēng)巷需要進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，但由于2202巷道正在回采，所以潞安工程公司工程師決定讓2203巷道掘進(jìn)工作在2202巷道回采前盡快開(kāi)展。當(dāng)時(shí)是需要先掘進(jìn)埋深為325～396m的瓦排巷，其中煤炭巖層的單軸抗壓強(qiáng)度為8MPa,直接頂是泥巖成分，測(cè)量的厚度是3.62m，之后再掘進(jìn)回風(fēng)巷，因此瓦排巷在掘進(jìn)時(shí)難免會(huì)受到回風(fēng)巷掘進(jìn)以及2202巷道回采的影響。后來(lái)基于對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析，認(rèn)為瓦排巷的施工應(yīng)選擇高預(yù)應(yīng)力、全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固、短強(qiáng)力錨索的支護(hù)方式。

其中錨索的索體是長(zhǎng)度為4.3m的1×19的Φ2mm鋼絞線。端部使用樹(shù)脂增加預(yù)應(yīng)力，錨固使用水泥漿即可。其中錨索上的托板是300mm×300mm×16mm的能經(jīng)受高強(qiáng)度的可調(diào)心托板，錨索排距為1200m，每排設(shè)間隔900m的5根錨索。施工后發(fā)現(xiàn)這種支護(hù)方式確實(shí)可以很有效控制離層和位移的情況，能夠讓巷道在施工中可以保持圍巖完整，為掘進(jìn)工作起到了良好的支護(hù)效果。

圖3 全斷面錨索支護(hù)布置圖

5 結(jié)語(yǔ)

煤炭巷道掘進(jìn)工作的順利進(jìn)行，必須要做好巷道巖層的支護(hù)工作。在施工過(guò)程中，要提前對(duì)煤巖層進(jìn)行考察測(cè)量，綜合分析礦山地質(zhì)地貌特點(diǎn)，綜合分析測(cè)量出數(shù)據(jù)信息，再合理選擇錨桿支護(hù)工具，還要及時(shí)做好巷道掘進(jìn)的保護(hù)工作，確保錨桿工具的支撐強(qiáng)度能夠保障巷道工作的安全性，從而保證工作人員的生命安全，使得工程項(xiàng)目能夠安全進(jìn)行。