高強度錨桿支護技術及在大斷面煤巷中的應用

陳濤

【摘 要】論文研究了適用于大斷面煤巷支護中的高強度錨桿，并運用相關模型模擬了在不同錨桿支護中巷道圍巖應力場的分布規律和分布特征，旨在對高強度錨桿支護技術在大斷面煤巷中的應用進行深入研究。

【Abstract】This paper researched the high strength bolt applied in large section coal roadway support.The distribution law and distribution characteristics of stress field of roadway surrounding rock under different bolt support are simulated by using correlation model.The purpose of this paper is to study the application of high strength bolt support technology in large section coal roadway.

【關鍵詞】高強度錨桿支護技術；大斷面煤巷；應用

【Keywords】 high strength bolt supporting technology；large section coal roadway；application；

【中圖分類號】TD82 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）06-0178-02

1 引言

在進行了相關的研究之后，筆者發現在錨桿支護系統之中起著決定性作用的參數是預緊力，錨桿預緊力的增加可以更加有效的使得巷道圍巖壓應力場的應力值和其擴散范圍隨之增大。同時，在對錨桿長度進行選擇的時候不僅需要考慮到錨桿預應力，更加需要考慮可錨性以及巷道圍巖破碎程度。倘若是相同的錨桿材料，那么直徑越大的錨桿材料，其強度也會越高，預應力擴散的范圍也會更大。倘若錨桿跟巖面布置是垂直的情況的話，那么巷道圍巖壓應力區將會更加均勻的進行分布，從而錨桿預應力將會得到更佳的疊加效果。通過井下試驗證明，高強度錨桿支護技術可以給大斷面煤巷帶去更加有效的支護手段。

2 概況

因為回采工作面大多是大型的設備，所以開采強度以及產量都得到了顯著的提高，那么為了使得運輸、通風和行人都保證正常的狀態，就需要不斷地擴大巷道斷面。至今為止，回采巷道寬度大致已經可以達到五米到六米之間，斷面積也可以達到十五到二十平方米之間。開切眼跨度可以達到十米，斷面積可以達四十平方米。但是，不斷增加的巷道斷面所帶來的就是支護難度的不斷提升。對于特厚煤層的采放以及頂煤開采而言，為了使得放煤效果以及采出率得以提高，就必須使得工作面過風斷面得到擴大，從而更好地解決通風以及瓦斯的問題。目前，采高被逐漸變大，正在朝著大采高綜放開采方向發展[1]。然后，不斷增大的采高必定會致使回采巷道的煤幫高度不斷增大，以致于會形成一類高煤幫以及大斷面巷道。同時，加大的巷道高度還會使得煤幫的穩定性以及變形受到影響，甚至會破會巷道圍巖的穩定性，導致嚴重的巷道支護困難。就目前的情況來看，我國煤礦巷道大多是采用錨桿支護的方式。國家的很多重點煤礦已經達到了60%的平均錨桿支護率，甚至有一部分已經達到了90%或者是100%?，F在大部分的支護問題已經被錨桿支護技術以及支護材料所解決了，同時還獲得了很好的支護效果以及經濟效益。不過，在一些大采高綜放開采中所涉及的高煤幫以及大斷面巷道之中，支護技術還將面臨更高層次的要求。部分低強度的錨桿支護難以在困難巷道中獲得良好的效果?？偨Y起來，問題主要體現在以下的兩個方面。首先是錨桿強度低的問題?，F在的錨桿屈服強度是335到400MPa之間，而拉斷強度是500到600MPa之間，而在一致的支護強度之中，因為錨桿強度比較低，所以更加需要高支護密度[2]。其次就是錨桿支護剛度低的問題。主要影響支護剛度的因素是錨桿預緊力與錨固方式，所以，只要想達到高剛度，就必須要在高預緊力條件下進行高強度錨桿加長。但是，仍然會因為錨桿加工精度不高、輸出扭矩小和認識不足等原因導致錨桿預緊力矩以及預緊力難以達到標準，從而錨桿的支護作用難以得到真正的發揮。為了解決超高煤幫以及特大斷面的煤巷支護的相關問題，我們現在需要做的事就是對大斷面高強錨桿的支護技術進行更加深入的研究。

3 錨桿支護理論發展與材料研發

3.1 深化錨桿的支護理論認知

在錨桿支護被發明并且投入使用之后，有一部分的學者廣泛的探討了有關于錨桿支護作用機理的研究。至今為止，這些學者已經前前后后總共提出了大約十多種錨桿支護理論，其中比較常見的就有如懸吊理論以及組合梁理論和加固拱理論。在具體的實踐之中，這些支護理論都發揮出了十分積極的作用[3]。不過，每一類的理論都是存在相關的適用條件的，同時還會在不同的層面之上存在著與之相應的局限性和片面性以及不合理性與不可操作性。最近幾年，在國內外學者的共同努力之下，對于煤礦巷道的錨桿支護技術進行了更加深入細致的研究，因此錨桿支護理論獲得了突飛猛進的發展。學者也更加認識到在錨桿支護中預緊力所發揮的關鍵作用。比如錨桿可以強化圍巖強度，約束圍巖結構面的擴容變形，并且還可以保持圍巖的完整性。這些認識都可以促進錨桿支護效果獲得顯著提高，尤其是給一些大斷面巷道支護工作帶去了重要的理論指導。

3.2 研制高強錨桿支護材料

有兩種途徑可以用來提高錨桿桿體的強度。首先是開發專門用于錨桿的高強度鋼材。其次是將調質處理用于普通建筑螺紋鋼之中以不斷提高桿體強度。于是，在研發高強錨桿的支護材料的過程之中，一般會將這兩種方案結合起來使用。第一步是要煉鋼并逐漸開發強力錨桿的桿體材料，同時設計出專門的錨桿鋼材配方，之后在鋼中融進V、Ti、Nb等不同的化學元素來改變鋼材原本的力學性質。而在對煉鋼進軋制工藝的時候，就需要用到合理的軋制工藝來持續加工出那些含有高強度以及高延伸性特征的錨桿桿體。

4 高強度錨桿支護技術實際應用

4.1 大斷面巷道的高強度錨桿支護

在進行大斷面巷道的高強度錨桿支護工作之時，其工作面的主要采煤層四到九煤層，煤層的總體厚度在25.04到37.76m之間，平均厚度為31.40m。因此，煤層比較厚，層位比較穩定，煤層的傾斜角為4到10度。但是其結構比較復雜。因此，當錨桿長度不斷增加的時候，壓應力區范圍以及厚度都在不斷增加，于是錨桿作用范圍也在逐漸擴大。倘若錨桿中部以及上部的壓應力在持續減小，那么兩個錨桿中部的圍巖壓應力也會隨之減小[4]。這就表明，如果預應力是固定的，那么錨桿越長，則預應力作用就會越模糊，主動支護性也會更差。因此，錨桿越長的話，那么所要施加的預應力也就應該變得更大。從而才可以形成良好的支護系統并實現優良的支護效果。

4.2 支護效果

在進行巷道掘進以及支護施工的過程之中，主要的工作就是檢測巷道圍巖的變形情況。雖然在掘進期間，巷道會發生相應的位移，但是就總體而言，工作面回采期間的巷道圍巖尚未出現明顯破壞，巷道也沒有出現大幅變形量，因此是完全符合運輸與通風需要的。根據總體的監測數據情況來看，在掘進期間，巷道的變形量還是比較小的，因此與之相對應的支護效果也是十分良好的。

5 結語

總而言之，錨桿對巷道所起到的支護作用大多是錨桿預緊力作用于壓應力區所產生的，同時他還能夠跟其他支護構件一起構成預應力承載結構來強化巷道圍巖并且約束圍巖結構面的擴容變形情況以保持完整穩定的巷道圍巖。同時，大斷面煤巷的錨桿支護參數有很多種類，但是其中最為關鍵并且起著決定性作用的是預應力。因此，錨桿強度越大則表示可施加預應力也會更高，不過施加錨桿預應力之前還是要對巷道圍巖可錨性進行深入考慮。最后，高強度高預應力錨桿支護技術可以在很大程度上防止大斷面巷道圍巖發生嚴重的變形。

【參考文獻】

【1】孟慶彬，韓立軍，喬衛國，等.大斷面軟弱破碎圍巖煤巷演化規律與控制技術[J].煤炭學報，2016（08）：1885-1895.

【2】余偉健，馮濤，王衛軍，等.軟弱半煤巖巷圍巖的變形機制及控制原理與技術[J].巖石力學與工程學報，2014（04）：658-671.

【3】田維榮，趙克儉，曹新奇，等.弱含水條件下軟巖巷道頂板破壞機理與控制技術[J].煤礦開采，2014（05）：55-57+76.

【4】徐青云，張磊，魯杰，等.高瓦斯松散煤體復合頂煤巷支護參數優化分析[J].中國煤炭，2014（12）：42-45.