錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)巷道支護(hù)效果的影響

李 政

（西山煤電西曲礦掘進(jìn)二隊(duì)， 山西 古交 030200）

引言

工作面巷道支護(hù)效果直接決定綜采工作面生產(chǎn)和作業(yè)人員的安全性。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于煤炭開(kāi)采導(dǎo)致工作面頂板的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，進(jìn)而出現(xiàn)巷道頂板坍塌、兩幫出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象，在制約工作面生產(chǎn)效率的同時(shí)嚴(yán)重威脅到作業(yè)人員的人身安全。本文以12207 工作面為例，其在實(shí)際生產(chǎn)中由于支護(hù)手段不合理，嚴(yán)重影響正常通風(fēng)和開(kāi)采的安全，雖然采用可注式支護(hù)能夠使其巷道頂?shù)装宓淖冃蔚玫胶棉D(zhuǎn)，但是可注式支護(hù)導(dǎo)致回風(fēng)巷道斷面較小，在影響回風(fēng)效率的同時(shí)影響工作面的正常運(yùn)輸[1]。因此，提出預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的方式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

某煤礦12207 工作面可開(kāi)采煤層為2 號(hào)煤層，煤層平均厚度為8.78 m，煤層平均普式硬度為1.8。經(jīng)探測(cè)，該工作面煤層屬于穩(wěn)定煤層，且煤層的厚度變化較小。12207 工作面煤層的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 12207 工作面煤層的頂?shù)装迩闆r

12207 工作面的走向長(zhǎng)度為2 000 m，含有傾斜部分的長(zhǎng)度為182 m，整個(gè)工作面傾斜部分的傾斜角度范圍為24.5°～31°。本文著重以12207 工作面研究預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)對(duì)巷道支護(hù)效果的改善，并對(duì)其中預(yù)應(yīng)錨桿支護(hù)工藝的實(shí)施以及預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)施

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)是由鉆孔穿過(guò)軟巖層，預(yù)應(yīng)錨桿的一端固定在工作面堅(jiān)硬的巖層，預(yù)應(yīng)力錨桿的另一端進(jìn)行張拉操作，從而對(duì)巷道圍巖起到穩(wěn)定、固定作用。一般的，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)能夠?qū)ぷ髅鎳鷰r進(jìn)行局部加固，提高錨桿支護(hù)的張拉作用，對(duì)層狀巖層進(jìn)行加固[2]。結(jié)合12207 工作面的頂?shù)装迩闆r，對(duì)其采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式，具體支護(hù)參數(shù)如下。

2.1 工作面錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1.1 頂板支護(hù)參數(shù)

頂板支護(hù)所采用無(wú)縱筋螺紋鋼筋錨桿直徑為22 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm，錨桿間排距為850 mm，錨桿間距為900 mm，工作面頂板每排錨桿的數(shù)量為5 根。頂板錨桿采用錨固劑對(duì)錨固進(jìn)行加長(zhǎng)，其中所采用錨固劑的類型為K2335 和Z2360。經(jīng)錨固劑加長(zhǎng)處理后錨固的長(zhǎng)度為1 654 mm。為保證錨桿支護(hù)的效果，為其施加400 Nm 的預(yù)緊扭矩。而且，頂板錨桿的與錨桿相匹配的錨索的直徑為17.8 mm，錨索長(zhǎng)度為7 300 mm，錨索的間排距為1 800 mm，同樣采用樹(shù)脂卷對(duì)錨索錨固進(jìn)行加長(zhǎng)處理，所采用錨固劑的類型分別為K2335 和Z2360，經(jīng)錨固加長(zhǎng)處理后錨固的長(zhǎng)度為1 860 mm，為錨索所施加預(yù)緊力的大小為180 kN。

此外，針對(duì)頂板支護(hù)為其增加W 鋼帶和菱形金屬網(wǎng)的支護(hù)方式。

2.1.2 巷幫支護(hù)參數(shù)

巷幫支護(hù)采用無(wú)縱筋螺紋鋼筋錨桿的直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm，錨桿間排距為800 mm，錨桿間距為900 mm，工作面頂板每排錨桿的數(shù)量為4 根。頂板錨桿采用錨固劑對(duì)錨固進(jìn)行加長(zhǎng)，其中所采用錨固劑的類型為K2335 和Z2360。經(jīng)錨固劑加長(zhǎng)處理后錨固的長(zhǎng)度為1 300 mm。為保證錨桿支護(hù)的效果為其施加400 Nm 以上的預(yù)緊扭矩。

此案為，針對(duì)巷幫支護(hù)還需采用W 型鋼護(hù)板和菱形金屬護(hù)幫進(jìn)行加固支護(hù)。

12207 工作面的整體支護(hù)效果如圖1 所示。

圖1 12207 工作面預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)整體效果

2.2 預(yù)應(yīng)力錨桿及施工工藝

針對(duì)12207 工作面的頂?shù)装濉⒌刭|(zhì)以及水文等條件，本次支護(hù)方案所采用的無(wú)縱筋螺紋鋼筋錨桿屬于高強(qiáng)度、高剛度錨桿支護(hù)系統(tǒng)[3]，所選預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的構(gòu)件如圖2 所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

錨桿支護(hù)工藝:結(jié)合常規(guī)錨桿支護(hù)工藝的步驟，對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)需經(jīng)歷如下施工步驟：鉆巷道頂板中部錨桿孔（采用Φ28 mm 的鉆頭完成鉆孔，將錨桿孔的誤差控制在50 mm 以內(nèi)）- 裝樹(shù)脂卷- 裝全套錨桿- 攪拌藥卷（攪拌15 s 后停機(jī)）- 攪拌機(jī)停機(jī)（需保持較大的推力）- 緊固螺母（根據(jù)預(yù)緊扭矩值上緊螺母）。

錨索支護(hù)工藝：定錨索眼位- 打錨索眼（使用Φ28 mm 的鉆頭）- 清理錨索眼- 將樹(shù)脂卷放入錨索眼中- 攪拌25 s 左右并停機(jī)后保持推力60 s- 緊固錨索[4]。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)效果

為綜合評(píng)估預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果，本文在12207 工作面巷道設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)站分別對(duì)巷道表面位移、頂板離層量、錨桿受力以及錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，巷道表面位移采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量，包括有頂板、兩幫的移近量以及頂板的下沉量；采用離層指示儀對(duì)巷道頂板的離層量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；采用CM-300 測(cè)力計(jì)對(duì)錨桿受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)；采用GYS-500 測(cè)力計(jì)對(duì)錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。此處僅對(duì)巷道頂板采用普通錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的頂板離層量進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 普通錨桿與預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)下巷道頂板離層量對(duì)比

如圖3 所示，頂板離層量包括有深部離層量和淺部離層量。原支護(hù)采用普通錨桿支護(hù)，其對(duì)應(yīng)的深部頂板離層最大值為170 mm，淺部離層最大值為110 mm，總的頂板離層量280 mm；新支護(hù)采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，其對(duì)應(yīng)的深部頂板離層最大值為80 mm，淺部離層最大值為45 mm，總的頂板離層量125 mm。經(jīng)對(duì)比分析可知，采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后對(duì)應(yīng)頂板的離層量降低約55.3%。

此外，經(jīng)核算可知采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后可提升巷道的掘進(jìn)速度，巷道后期的維修費(fèi)用明顯降低。

4 結(jié)論

錨桿支護(hù)為綜采工作面巷道支護(hù)的主要形式，針對(duì)某些特殊工作面采用普通錨桿支護(hù)，其支護(hù)效果遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際生產(chǎn)需求，需采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)對(duì)巷道工作面圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行加固，具體如下：

1）針對(duì)12207 工作面的特點(diǎn)，對(duì)錨桿和錨索分別施加400 Nm 的預(yù)緊扭矩和180 kN 的預(yù)緊力；

2）采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后12207 工作面總的頂板離層量降低55.3%，且大幅度提升了巷道的掘進(jìn)機(jī)速度，降低了巷道的后期維護(hù)費(fèi)用。