基于恒阻大錨索的井下綜采支護(hù)工藝優(yōu)化研究

趙惠東

（陽(yáng)泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045011）

引言

隨著煤礦井下綜采作業(yè)深度的不斷增加，巷道井下地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，在綜采作業(yè)過(guò)程中面臨著高應(yīng)力、高地壓沖擊的影響，根據(jù)研究，綜采作業(yè)深度每增加100 mm，巷道在受力作用下的變形量和變形速度將增加15%。傳統(tǒng)的以錨桿為核心的支護(hù)方案雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工靈活性高、支護(hù)效率高，但其存在著支護(hù)強(qiáng)度偏低，經(jīng)常出現(xiàn)錨桿無(wú)法適應(yīng)井下圍巖大變形而導(dǎo)致的被拉斷現(xiàn)象，無(wú)法適應(yīng)深部巷道圍巖非線性變化大的支護(hù)特性[1]。

根據(jù)巷道圍巖受力情況下的變形特質(zhì)，本文在對(duì)恒阻大錨索工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于恒阻大錨索的井下綜采支護(hù)工藝，對(duì)支護(hù)布置結(jié)構(gòu)、支護(hù)參數(shù)選擇等進(jìn)行了分析，根據(jù)在煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用表明，新的支護(hù)方案能夠?qū)⑾锏理敯逑鲁亮拷档?2.1%以上，對(duì)確保井下巷道支護(hù)穩(wěn)定性，提高井下支護(hù)安全和效率具有十分重要的意義。

1 恒阻大錨索變形機(jī)理

恒阻大錨索是近年來(lái)出現(xiàn)的一種具有一定伸縮量的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其主要包括了恒阻器、托盤(pán)、鋼絞線等，恒阻器設(shè)置在鋼絞線的尾部，然后外側(cè)套有套管和鎖具，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 恒阻大錨索結(jié)構(gòu)示意圖

恒阻大錨索在工作時(shí)的恒阻力主要是來(lái)源于恒阻體在進(jìn)行滑移時(shí)和套筒之間的摩擦力，在支護(hù)過(guò)程中，圍巖變形量超過(guò)恒阻器原先的支護(hù)范圍后，變形力會(huì)作用在鋼絞線上，然后鋼絞線就拉動(dòng)著恒阻體沿著受力方向滑動(dòng)，在滑動(dòng)過(guò)程中逐漸地吸收圍巖變形的張力，從而保證在支護(hù)過(guò)程中能夠適應(yīng)圍巖更大程度的變形。

在恒阻大錨索支護(hù)的過(guò)程中，受力不斷發(fā)生變化。恒阻大錨索的支護(hù)過(guò)程可分為三個(gè)階段，每個(gè)階段具有不同的支護(hù)形態(tài)和受力，恒阻大錨索的工作原理如圖 2 所示[3]。

圖2 恒阻大錨索支護(hù)原理示意圖

在支護(hù)時(shí)的第一階段，圍巖變形量較小，作用在恒阻大錨索鋼絞線上的拉力沒(méi)有超過(guò)恒阻器所設(shè)定的恒阻值，因此鋼絞線通過(guò)自身產(chǎn)生的拉伸變形即可適應(yīng)井下巷道圍巖的變形，從而保證圍巖的穩(wěn)定性。

在支護(hù)時(shí)的第二階段，圍巖的變形量逐漸增加，作用在鋼絞線上的拉力超過(guò)了恒阻器的恒阻值，恒阻器尾部的恒阻體在拉力的作用下沿著套筒滑移，在移動(dòng)的過(guò)程中恒阻體和套筒之間一直保持著恒定的摩擦力，在此階段，恒阻器主要是通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的變形來(lái)適應(yīng)井下圍巖的變化，吸收圍巖變形時(shí)的能量，保持圍巖的穩(wěn)定性。

在支護(hù)時(shí)的第三階段，恒阻器的鋼絞線彈性變形及恒阻器的結(jié)構(gòu)改變所產(chǎn)生的力和圍巖變形產(chǎn)生的力相平衡，作用在鋼絞線上的拉力不再增加，圍巖達(dá)到平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下巷道圍巖受力變形的可靠支護(hù)。

2 恒阻大錨索的選擇

以井下巷道綜采面為例，井下巷道的深度為667 m；綜采面的煤層平均厚度為4.8 m；直接頂為泥巖，其平均厚度為3.72 m；老頂為細(xì)沙巖，其平均厚度為3.7 m；采用了切頂卸壓沿空留巷結(jié)構(gòu)。井下巷道斷面為斜矩形斷面，尺寸規(guī)格為2.8 m×4.2 m，采用了錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)[4]，在巷道頂板斷面內(nèi)設(shè)置了6 組錨桿和3 組錨索，在巷道刷幫后又增加了2 組高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，整體支護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。在實(shí)際綜采作業(yè)過(guò)程中由于井下巷道礦壓波動(dòng)較大，因此導(dǎo)致圍巖變形大，錨桿受力破壞率達(dá)到了35.2%，巷道頂板的最大下沉量達(dá)到了358 mm，嚴(yán)重影響了井下巷道的綜采安全性。

為了滿足井下支護(hù)安全性的需求，選擇了一款HWL-2000 型恒阻大錨索[5]，該錨索的長(zhǎng)度為1.5 m，直徑為21.8 m，對(duì)該錨索進(jìn)行拉力—位移試驗(yàn)，其拉力和位移的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 恒阻大錨索拉力-位移變形示意圖

由圖3 可知，該恒阻錨索的平均拉伸力為352 kN，可以認(rèn)為當(dāng)作用在恒阻錨索上的力小于352 kN時(shí)，恒阻錨索的受力變形為彈性變形；當(dāng)作用在恒阻錨索上的力大于352 kN 時(shí)，其受力變形為塑性變形。恒阻大錨索在受力時(shí)的最大變形量為405 mm，大于巷道圍巖最大358 mm 的變形量，因此滿足大深度巷道的變形支護(hù)需求。

3 恒阻大錨索變形支護(hù)方案

為了滿足井下巷道支護(hù)需求，保證巷道在切頂卸壓和來(lái)壓期間的穩(wěn)定性，采用恒阻大錨索替代傳統(tǒng)的錨索對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。錨索布置時(shí)選擇在垂直于巷道頂板的方向布置[6]，共設(shè)置3 組，第一組在距離巷道切縫為0.5 m 的位置，第二組在距離切縫約1.5 m的位置，第三組設(shè)置在副幫側(cè)，距離巷道的中心位置1.1 m 處。為了進(jìn)一步提高支護(hù)的穩(wěn)定性，各個(gè)錨索采用加強(qiáng)鋼筋相連接，其井下支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 井下巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

采用恒阻大錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)完成后，在巷道內(nèi)設(shè)置了圍巖變形量監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)綜采作業(yè)過(guò)程中的巷道圍巖變形情況及錨索的工作阻力變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 恒阻大錨索支護(hù)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖5-1 可知，在綜采作業(yè)的過(guò)程中恒阻大錨索的受力值先穩(wěn)定不變，隨著巷道圍巖變形量的增加其受力值逐漸增大，最后其平均工作阻力維持到327.6kN。由于該恒阻錨索的恒阻值為30±3 t，因此可知，當(dāng)恒阻大錨索的受力達(dá)到工作阻力后，能夠通過(guò)對(duì)恒阻器結(jié)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)整來(lái)滿足圍巖的變形，保持支護(hù)的穩(wěn)定性。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處頂板下沉量的分析，采用新的恒阻大錨索支護(hù)后，巷道頂板的平均下沉量約為171.4 mm，比優(yōu)化前的358 mm 降低了52.1%，對(duì)提升井下巷道圍巖的穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

1）恒阻大錨索在工作時(shí)的恒阻力主要是來(lái)源于恒阻體在進(jìn)行滑移時(shí)和套筒之間的摩擦力，在滑動(dòng)過(guò)程中逐漸地吸收圍巖變形的張力，從而保證在支護(hù)過(guò)程中能夠適應(yīng)圍巖更大程度的變形。

2）基于恒阻大錨索的井下補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，能夠?qū)⑾锏理敯逑鲁亮拷档?2.1%以上，對(duì)提升煤礦井下巷道圍巖的穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。