王坡煤礦高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

楊　帥

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司)

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王坡煤礦高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

楊帥

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司)

摘要針對(duì)王坡煤礦地質(zhì)條件，對(duì)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并采用理論分析和數(shù)值模擬分析方法確定了巷道支護(hù)方案。實(shí)踐表明：采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)可有效控制巷道圍巖變形，通過(guò)一次支護(hù)可有效減小巷道圍巖變形，避免了重復(fù)修護(hù)，大大提高了巷道掘進(jìn)速度，節(jié)約了成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著，對(duì)于類(lèi)似礦山有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)巷道支護(hù)圍巖變形掘進(jìn)速度

據(jù)王坡煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，3209回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間變形嚴(yán)重的地段，頂?shù)装逡平考s1 m，兩幫移近量達(dá)2 m，錨桿錨索斷裂現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，為該礦安全生產(chǎn)埋下了嚴(yán)重的隱患。由于井下支護(hù)材料強(qiáng)度較低以及支護(hù)系統(tǒng)剛度較低，導(dǎo)致支護(hù)過(guò)程中使用的錨桿、錨索數(shù)目較多。部分地段支護(hù)過(guò)度，嚴(yán)重影響到了巷道的掘進(jìn)速度，浪費(fèi)支護(hù)材料；分地段支護(hù)強(qiáng)度較低，前掘后修的現(xiàn)象普遍存在，導(dǎo)致采掘接續(xù)較緊張。為此，本研究對(duì)該礦高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究，并對(duì)井下支護(hù)方案進(jìn)行探討。

1高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論

高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)的作用主要為：①控制巷道圍巖結(jié)構(gòu)的完整性，盡可能抑制圍巖離層、層間滑動(dòng)、生成新裂紋、裂隙擴(kuò)展等有害變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，在支護(hù)范圍內(nèi)形成次生承載層，最大程度地保持巷道圍巖的整體穩(wěn)定性，提高巷道支護(hù)效果[1]；②能夠使得巷道圍巖結(jié)構(gòu)在高預(yù)應(yīng)力的作用下始終處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖結(jié)構(gòu)有害變形擴(kuò)展，大大提高支護(hù)范圍內(nèi)巷道圍巖的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)可有效地將高預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散至周?chē)鷩鷰r結(jié)構(gòu)中，保證巷道的支護(hù)效果[2]。單根高預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索的作用范圍較小，需通過(guò)配套護(hù)表構(gòu)件(如托盤(pán)、W型鋼帶和菱形網(wǎng)等)將高預(yù)應(yīng)力充分?jǐn)U散至距錨固區(qū)較遠(yuǎn)的巷道圍巖中。因此，錨桿錨索托盤(pán)、鋼帶、菱形網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件的聯(lián)合使用可有效確保支護(hù)效果。

錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度與圍巖的剛度相匹配在整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)中具有重要作用[3]。高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的核心功能是能夠提供高預(yù)應(yīng)力、高剛度，該支護(hù)系統(tǒng)能夠有效抑制巷道圍巖的有害變形，提高巷道支護(hù)的可靠性，確保安全生產(chǎn)[4-6]。對(duì)于采動(dòng)影響較大，巷道圍巖破碎的巷道，應(yīng)盡可能通過(guò)一次支護(hù)達(dá)到巷道支護(hù)的預(yù)期效果，避免重復(fù)修護(hù)、前掘后修現(xiàn)象出現(xiàn)。高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)可大大提高巷道的掘進(jìn)速度，降低掘進(jìn)成本。高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度的錨索支護(hù)在復(fù)雜條件巷道工程支護(hù)過(guò)程中的作用為：①提高錨桿支護(hù)形成的次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖形成一個(gè)整體共同承載；②在高預(yù)應(yīng)力的作用下周?chē)鷰r層始終處于擠壓狀態(tài)，有效控制圍巖變形破壞，大增強(qiáng)巷道圍巖抵抗破壞變形的能力[7]。

2高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)

(1)強(qiáng)力錨桿桿體。錨桿桿體為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，桿體直徑22 mm，長(zhǎng)2.4，2.0 m，采用BHRB500材質(zhì)鋼筋，極限拉斷力255 kN，屈服力200 kN，延伸率17%，錨桿桿尾螺紋采用滾壓加工工藝成型，規(guī)格M24，錨桿附件采用與該錨桿力學(xué)性能相配套的高強(qiáng)度拱形托盤(pán)及高強(qiáng)度轉(zhuǎn)向球等。

(2)強(qiáng)力W鋼帶。W強(qiáng)力鋼帶可將支護(hù)系統(tǒng)的高預(yù)應(yīng)力和工作阻力擴(kuò)散至圍巖中，使錨桿錨索受力趨于均衡，大大提高巷道整體的支護(hù)能力。強(qiáng)力W鋼帶與強(qiáng)力錨桿、錨索的力學(xué)性能以及巷道圍巖體強(qiáng)度、剛度的有效匹配，可最大限度地提高系統(tǒng)的支護(hù)效果。

(3)強(qiáng)力錨索。小孔徑錨索的鋼絞線(1股×7根)直徑較小，與鉆孔直徑的徑差較大，樹(shù)脂錨固劑利用率低，錨固效果差。鋼絞線破斷載荷較小，在復(fù)雜條件的回采巷道中鋼絞線破斷現(xiàn)象頻繁發(fā)生。鋼絞線延伸率偏低，不利于巷道圍巖集中應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致支護(hù)難度增大。王坡煤礦3209回風(fēng)順槽支護(hù)采用延伸率大、柔性好、高強(qiáng)力鋼絲(1(股)×19(根))捻制結(jié)構(gòu)的錨索鋼絞線，其斷裂時(shí)延伸率達(dá)到7%，真正實(shí)現(xiàn)了大直徑、大噸位及高延伸率。采用高強(qiáng)度拱形可調(diào)心金屬托盤(pán)及配套鎖具，使錨索的受力狀態(tài)更加合理，充分發(fā)揮了該類(lèi)錨索的支護(hù)能力。

3高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)方案及效果

3.1地質(zhì)條件

王坡煤礦3#煤層柱狀圖見(jiàn)圖1。3209回風(fēng)順槽斷面為矩形，巷寬 4. 5 m，巷高3. 1 m，沿煤層底板掘進(jìn)，3209回風(fēng)順槽東側(cè)臨近3207采空區(qū)，西側(cè)為實(shí)體煤。由于受采空區(qū)動(dòng)壓明顯的影響，3209回風(fēng)順槽巷道圍巖受到較大程度的擾動(dòng)，且煤層裂隙較發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜導(dǎo)致回采巷道變形嚴(yán)重。采用以往的支護(hù)方式時(shí)，巷道變形較嚴(yán)重，修復(fù)率較高，變形最為嚴(yán)重的地段，頂?shù)装逡平窟_(dá)1 m，兩幫移近量達(dá)2 m，給礦井生產(chǎn)埋下了嚴(yán)重的安全隱患。

3.2支護(hù)方案

結(jié)合王坡煤礦的實(shí)際情況以及3209回風(fēng)順槽的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)幾類(lèi)支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，確定了巷道的支護(hù)參數(shù)。巷道采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)，錨桿為φ22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，頂板錨桿排距1 m，間距1.2 m，每排布置4根；幫錨桿排距1 m，間距1.1 m，每排布置6根。錨索采用φ22 mm的1(股)×19(根)強(qiáng)力錨索，間距1.7 m，排距2 m。采用強(qiáng)力W鋼帶，配合高強(qiáng)度拱形錨桿托盤(pán)，同時(shí)配合菱形金屬網(wǎng)護(hù)表。該支護(hù)方案掘進(jìn)后巷道圍巖應(yīng)力、位移變化的數(shù)值模擬結(jié)果分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖1　3#煤層柱狀圖

圖2　應(yīng)力分布

圖3　位移分布

由圖2、圖3可知：采用該支護(hù)方案的情況下，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷道頂?shù)装逄帲锏谰蜻M(jìn)后巷道頂部垂直向下的最大位移為39 mm，巷道最大底鼓量為38 mm，巷道水平位移最大為52 mm，巷道掘進(jìn)后塑性破壞區(qū)主要分布于巷道四周，頂板及兩幫由于有錨桿及錨索支護(hù)，巷道圍巖變形得到了有效控制。

3.3支護(hù)效果

王坡煤礦3209回風(fēng)順槽采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)后，巷道礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：巷道最大頂?shù)装逡平繛?8 mm，兩幫最大移近量為112 mm，頂板幾乎無(wú)離層現(xiàn)象，巷道圍巖較完整，未出現(xiàn)重復(fù)修護(hù)現(xiàn)象、在掘進(jìn)期間，頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變化較好，巷道支護(hù)效果良好，表明高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)可有效避免圍巖有害變形的出現(xiàn)，大大提高了支護(hù)范圍內(nèi)巷道圍巖的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)王坡煤礦地質(zhì)條件，結(jié)合高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)，提出了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力巷道支護(hù)方案。該礦3209回風(fēng)順槽應(yīng)用結(jié)果表明，該支護(hù)系統(tǒng)可有效確保巷道圍巖結(jié)構(gòu)的完整性，使巷道頂板和兩幫圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖結(jié)構(gòu)有害變形的出現(xiàn)，較高的延伸率使得巷道圍巖中產(chǎn)生的集中應(yīng)力得以釋放，大大提高了支護(hù)系統(tǒng)的可靠性，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可供類(lèi)似礦山參考。

參考文獻(xiàn)

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[2]康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(7)：673-678.

[3]張農(nóng)，高明仕.煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(5)：524-527.

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[5]康紅普.煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)研究與實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(21)：3959-3964.

[6]何滿(mǎn)潮，袁和生.中國(guó)煤礦錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2004．

[7]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

(收稿日期2016-03-30)

楊帥(1988—)，男，助理工程師，048021 山西省晉城市澤州縣下村鎮(zhèn)。