高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

摘要：煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不再單純強(qiáng)調(diào)錨桿的強(qiáng)度，綜合強(qiáng)化錨桿支護(hù)的承載特性是錨桿支護(hù)的發(fā)展方向。通過工業(yè)性應(yīng)用實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，說明高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)在煤礦大斷面厚層復(fù)合頂板巷道中支護(hù)是實(shí)用的。數(shù)據(jù)和結(jié)論表明，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化支護(hù)充分調(diào)動(dòng)圍巖自身的穩(wěn)定性，促成巷道頂板形成了穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu)，減緩兩幫圍巖的應(yīng)力集中程度和巖體破壞現(xiàn)象，有效控制了頂板下沉，限制了厚層復(fù)合頂板中軟弱夾層的破壞，特別在煤巖交界面上的離層控制方面發(fā)揮了重要的作用，保證了深井大斷面厚層復(fù)合頂板巷道的安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力 支護(hù) 技術(shù)實(shí)踐

1 巷道基本概況及維護(hù)特點(diǎn)

試驗(yàn)巷道是1113(3)工作面軌道順槽，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)2840m，施工方位：0°，沿煤層頂板掘進(jìn)。由于巷道埋深較大，接近－600m，屬于深井巷道支護(hù)問題。從已掘的首采面上順槽來看，地壓大，且巷道斷面大，支護(hù)難度大。且巷道為典型的大斷面厚層復(fù)合頂板巷道，頂板由砂質(zhì)泥巖、粘土巖、炭質(zhì)頁巖及薄層的砂巖組成。復(fù)合頂板互層多，厚度薄，沒有穩(wěn)定的老頂砂巖層，控制頂板巖層離層失穩(wěn)的難度非常大。根據(jù)13槽首采面上順槽的情況來看，巷道頂板巖層極易風(fēng)化破碎，在支護(hù)上對(duì)護(hù)表材料的強(qiáng)度要求高。巷道走向距離較長(zhǎng)，要求服務(wù)和維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)支護(hù)強(qiáng)度及維護(hù)的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性有較高的要求。綜上所述，該巷道支護(hù)設(shè)計(jì)屬于深井厚層復(fù)合頂板高地壓大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性控制問題。

2 支護(hù)參數(shù)選定

2.1支護(hù)參數(shù)確定原則 煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不再單純強(qiáng)調(diào)錨桿的強(qiáng)度，僅有錨桿的高強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能保證巷道的支護(hù)效果。必須調(diào)動(dòng)圍巖的承載能力，使施工錨桿后的圍巖強(qiáng)度提高，形成具有一定強(qiáng)度、剛度的梁板結(jié)構(gòu)，從而有力維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。因此，以高強(qiáng)錨桿為基礎(chǔ)以高預(yù)緊力為核心的深部巷道錨桿支護(hù)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(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固；②預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散，增大護(hù)表構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度；③組合支護(hù)，錨桿錨索匹配，保證支護(hù)整體性能；④臨界支護(hù)強(qiáng)度、剛度概念，不能低于臨界值；⑤高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性，低密度。

2.2支護(hù)參數(shù)選定通過數(shù)值模擬結(jié)果分析，由于13-1煤層頂板為厚層復(fù)合頂板，主要是泥巖或煤線等整體性非常差的巖層，而較短的錨桿在控制巷道穩(wěn)定性方面效果較差，故應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度，并考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工的具體條件以及控制最終的巷道變形，所以幫部錨桿長(zhǎng)度采用2.5m，頂板錨桿長(zhǎng)度采用2.8m，同時(shí)采用錨索梁承載結(jié)構(gòu)，力求增大錨固區(qū)范圍。該支護(hù)參數(shù)可以滿足大斷面厚層復(fù)合頂板巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的支護(hù)需要。具體支護(hù)見圖1。

3 應(yīng)用效果測(cè)定與分析

3.1礦壓觀測(cè) 在試驗(yàn)巷道內(nèi)設(shè)置觀測(cè)站，對(duì)圍巖表面位移、頂板離層狀況、錨桿載荷進(jìn)行觀測(cè)。

3.1.1巷道表面位移巷道掘進(jìn)期間共設(shè)置了4個(gè)測(cè)站觀測(cè)巷道圍巖移動(dòng)規(guī)律，主要包括兩幫移近和頂板下沉，對(duì)4個(gè)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。試驗(yàn)巷道在掘進(jìn)后的一周以內(nèi)，頂板下沉速度和兩幫相對(duì)移近速度都比較大，巷道表面位移急劇增大：一周以后，圍巖移近速度變慢，巷道表面位移緩慢增加；一個(gè)月以后，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，但巷道仍有較小的變形量，主要是由于巷道煤體具有蠕變特性，因此圍巖仍保持一定的變形速度。巷道頂板下沉量和兩幫移近量都比較小，頂板最大下沉量為88mm，兩幫最大移近量為220mm。

3.1.2頂板離層在巷道中安設(shè)的頂板離層指示儀，每80～100m安設(shè)一組，頂板離層指示儀實(shí)際上是兩點(diǎn)巷道圍巖位移計(jì)，在頂板鉆孔中布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)在圍巖深部穩(wěn)定處，一般超過錨索錨固端300mm，一個(gè)在錨桿端部圍巖中，與錨桿錨固尾端一致。

巷道掘進(jìn)后第一周頂板離層急劇增加，隨著圍巖應(yīng)力調(diào)整重新達(dá)到平衡，頂板離層基本保持不變，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。淺基點(diǎn)最大離層值為21mm，深基點(diǎn)最大離層值為42mm，巷道頂板離層值相對(duì)較小，主要原因：巷道變形以兩幫移近和底鼓為主，頂板下沉較小。說明超高強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)、高預(yù)應(yīng)力錨索梁有效控制了頂板下沉，特別在處于錨固區(qū)外軟弱煤層的破壞，以及在煤巖交界面上的離層方面發(fā)揮了重要的作用，保證了頂板的安全穩(wěn)定。

3.1.3錨桿和錨索受力錨桿安裝時(shí)，錨桿預(yù)緊力都在30 kN以上，提高了錨桿支護(hù)初期的支護(hù)阻力，在對(duì)圍巖變形讓壓的過程中，實(shí)現(xiàn)高增阻，提升錨桿的作用級(jí)別，有效地控制巷道圍巖支護(hù)初期的變形。錨桿安裝10 d內(nèi)，錨桿工作阻力增幅較大，往后其受力趨于穩(wěn)定，巷道也在此時(shí)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。大部分錨桿的工作阻力都在50 kN以上，表明錨桿受力狀況良好，載荷增長(zhǎng)迅速，能夠及時(shí)承載控制圍巖變形。

錨索安裝后，工作阻力迅速增加，抑制了圍巖淺部與深部相對(duì)離層量，不但提高錨固區(qū)自穩(wěn)能力，而且其承載能力也得到很大的提高。到20d左右，錨索受力基本穩(wěn)定，且受力均勻，分別達(dá)到141kN、139 kN。高預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)超高強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，控制圍巖變形效果好。

3.2觀測(cè)結(jié)果分析根據(jù)在試驗(yàn)巷道內(nèi)設(shè)置觀測(cè)站，對(duì)圍巖表面位移、頂板離層狀況、錨桿載荷進(jìn)行觀測(cè)結(jié)果分析：本設(shè)計(jì)中的參數(shù)合理，在深井大斷面厚層復(fù)合頂板的條件下，頂幫分別采用2.8m和2.5m的長(zhǎng)錨桿，6.3m錨索配合槽鋼組成錨索梁加強(qiáng)支護(hù)，通過高預(yù)緊力充分調(diào)動(dòng)圍巖的自穩(wěn)能力，在頂板形成了穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu)，有效抑制了頂板離層，對(duì)巷道開挖后的圍巖變形起到了很好的控制作用，在掘進(jìn)期間把巷道的圍巖變形、頂板離層均控制在合理的范圍之內(nèi)：錨桿錨索受力狀況良好，載荷增長(zhǎng)迅速、及時(shí)承載。支護(hù)方案達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，控制變形效果較好，巷道經(jīng)受了煤巖蠕變、煤體風(fēng)化影響的考驗(yàn)，試驗(yàn)取得了成功，達(dá)到了預(yù)期的支護(hù)效果，為下一步1113(3j工作面回采打下了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

4.1支護(hù)原理新穎：預(yù)拉力的大小對(duì)頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用，當(dāng)預(yù)拉力大到一定程度時(shí)，使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態(tài)，形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，從而大大緩解或消除橫向彎曲變形，只有縱向的微小膨脹和壓縮變形，因而錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)和錨桿長(zhǎng)度以上的頂板離層得以消除，取得了良好的支護(hù)效果，采用的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)支護(hù)原理新穎，具有一定創(chuàng)新性。

4.2采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)，技術(shù)上可行，安全上可靠：錨桿承載性能的強(qiáng)化、淺部圍巖承載強(qiáng)度的強(qiáng)化、圍巖承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化充分調(diào)動(dòng)圍巖的自身的穩(wěn)定性，促成巷道頂板形成了穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu)，減緩兩幫圍巖的應(yīng)力集中程度和巖體破壞現(xiàn)象，有效控制了頂板下沉，限制了厚層復(fù)合頂板中軟弱夾層的破壞，特別在煤巖交界面上的離層控制方面發(fā)揮了重要的作用，保證了深井大斷面厚層復(fù)合頂板巷道的安全穩(wěn)定。

4.3數(shù)值模擬科學(xué)合理：數(shù)值模擬結(jié)果揭示出的掘進(jìn)和回采期間圍巖變形規(guī)律以及相關(guān)的應(yīng)力分布特征，與理論分析相吻合，表明模擬的支護(hù)方案可以滿足大斷面厚層復(fù)合頂板巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的支護(hù)需要，并很好的指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

4.4工業(yè)性試驗(yàn)成功：1113(3)52作面上順槽自2007年9月5日開展了煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)，至2008年4月13日完成施工，未發(fā)生一次巷道垮頂事故，整條巷道全長(zhǎng)2841_7 m，其中錨網(wǎng)支護(hù)巷道約2640 m，錨網(wǎng)支護(hù)率達(dá)93.2％。支護(hù)方案達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，控制變形效果較好，兩幫最大變形量為220 mm，頂板下沉量88 mm，巷道經(jīng)受了煤巖蠕變、煤體風(fēng)化影響的考驗(yàn)，試驗(yàn)取得了成功，為1113(3)工作面回采打下了良好的基礎(chǔ)。

4.5社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯：1113(3)工作面上順槽采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了輔助運(yùn)輸量，提高了單進(jìn)水平，在同類條件下，比架棚支護(hù)單進(jìn)水平提高了70％。

4.6推廣價(jià)值大：通過理論研究結(jié)合數(shù)值模擬，制定的參數(shù)合理，取得了比較好的技術(shù)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，該支護(hù)系統(tǒng)性能優(yōu)越，支護(hù)可靠、便于施工等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以類似條件下推廣使用，為淮南礦區(qū)深部厚層復(fù)合頂板的支護(hù)提供一定參考價(jià)值。