基于錨桿強度深度優(yōu)化的大斷面巷道支護技術(shù)

王 濤

（白洞煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

在煤炭開采中，回采工作面設(shè)備外形不斷變大，其產(chǎn)量及強度顯著提升。這就需要更大的巷道端面，方可確保內(nèi)部通風(fēng)、行人及物資運輸?，F(xiàn)階段，回采巷道寬度大約為5～6 m，斷面積為15～20 m2，開切眼跨度為10 m，斷面積為40 m2[1]。使巷道斷面持續(xù)變大，支護難度大增。在開采煤層厚度較大的綜采放頂煤時，通常會增加工作面的過風(fēng)斷面，獲得良好的放煤效果，并提升開采量，使井內(nèi)通風(fēng)及瓦斯問題得以順利解決，大采高綜放開采趨勢成為行業(yè)發(fā)展的方向。要加大采高，這肯定會提升回采巷道煤幫高度，由此出現(xiàn)一類高煤幫、大斷面巷道。隨著巷道高度的上升，煤幫穩(wěn)定性會下降，并且其形狀也會發(fā)生變化，對巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。煤巷支護存在的各類問題，得益于錨桿支護技術(shù)的發(fā)展及新型支護材料的應(yīng)用及有效解決，使其獲得顯著的經(jīng)濟價值[2]。盡管如此，高煤幫、大斷面巷道關(guān)系到大采高綜放開采，要求必須有更全面、更先進的支護技術(shù)。在這總難度較大的巷道中，如果錨桿支護不夠強硬，不會有效支護，圍巖外形有巨大變化，支護件受到強大壓力而受損，都無法確保巷道的安全。

支護超高煤幫、特大斷面煤巷，面臨巨大難度，當(dāng)下進行課題研究，其重心是深入研究大斷面高強錨桿支護技術(shù)。在煤巷錨桿支護技術(shù)的前期推廣階段面臨諸多問題，主要表現(xiàn)為錨桿直徑小、強度不夠、無法匹配鉆孔直徑等，有效巷道外形變化明顯。面對這些問題，科研人員全面研究大斷面煤巷錨桿支護技術(shù)，研制出新型錨桿支護材料有較大強度，已成功實現(xiàn)應(yīng)用，從而使大斷面條件下的巷道支護得以實現(xiàn)和推廣[3]。

1 錨桿支護技術(shù)與錨桿材料

1.1 錨桿支支護理論分析

錨桿在支護領(lǐng)域一經(jīng)面世，不少專業(yè)人士深入研究了其作用機理。迄今為止，他們創(chuàng)建了關(guān)于錨桿支護的各種理論，主要有懸吊理論和組合梁理論等[4]其在具體應(yīng)用中發(fā)揮著重大作用。盡管如此，他們的適用環(huán)境各不相同，并存在其缺陷。近幾年，全球?qū)＜疑钊胙芯棵旱V巷道錨桿支護技術(shù)，并取得了顯著的理論成果。通過研究發(fā)現(xiàn)，在錨桿支護中，預(yù)緊力發(fā)揮巨大作用，錨桿能提升圍巖強度，并且能有效約束圍巖結(jié)構(gòu)面離層、滑動、節(jié)理裂隙張開等，還能確保圍巖是一個整體。所形成的理論成果能有效增強錨桿支護作用，尤其是提升了大斷面復(fù)雜困難巷道的支護效果。

1.2 高強錨桿支護材料的研發(fā)

增強錨桿桿體的強度，有以下兩類方法：第一，研制具有極高強度的專用鋼材；第二，有效處理一般性建筑的螺紋鋼，加大桿體強度。研制新型高強度錨桿支護材料時，綜合運用以上兩種方法來實施：在煉鋼階段，設(shè)計有較高強度的錨桿桿體材料，運用專業(yè)配方，將V、Nb、Ti等元素添加其中，引起鋼材力學(xué)性能的改變。提升煉鋼及軋制技術(shù)，引進并應(yīng)用最新技術(shù)，從而確保生產(chǎn)的錨桿桿體有極大強度和良好的延伸率。SMG600型錨桿是新近研制的，其屈服強度超過600 MPa，抗拉強度大概為800 MPa，延伸率基本上都高于20%。SMG600型錨桿的力學(xué)試驗結(jié)果如表1所示[5]。

表1 SMG600號錨桿鋼材力學(xué)性能測試結(jié)果

2 高強度錨桿支護技術(shù)的應(yīng)用

研制出高強度錨桿支護技術(shù)后，通過白洞煤業(yè)公司C5煤層8112工作面實施的試驗，取得良好效果，由此實施推廣。下文主要介紹了在掘進及回采受強烈動壓影響期間的支護情況[6]。

2.1 大斷面巷道高強度錨桿支護

2.1.1 地質(zhì)與生產(chǎn)條件

工作面主采煤層屬于石炭二疊系5號煤層，其厚度最小為10.11 m，最大為13.04 m，其平均值為9.75 m。該區(qū)域的煤層在結(jié)構(gòu)上極為復(fù)雜，其傾角介于2～6之間，均值為3°，屬于井田內(nèi)可采煤層的主要形式[7]。煤層中的層夾石基本為3～8，夾石的厚度介于0.10～0.30 m之間，有的甚至厚達(dá)0.70 m，穩(wěn)定性非常差且不連續(xù)。煤層的頂板通常是砂礫巖和泥巖，而底板由泥巖、細(xì)砂巖構(gòu)成。白洞煤業(yè)公司C5煤層5112回風(fēng)巷，煤礦巷道在掘進過程中主要沿底板進行。因其受到火成巖的侵入，這一煤層的頂煤極不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)斷裂，巷道周邊的圍巖極整體性較差，煤層、巖層不具備連續(xù)性，兩者經(jīng)常發(fā)生脫離，巷道圍巖有比較大的破壞性。5112巷的斷面，設(shè)計成矩形，其寬度和高度分別為4.5 m、2.6 m。煤體單軸所能承受的壓強大約為12～14 MPa。巷道頂板所能承受的應(yīng)力，其上限是12.90 MPa，垂直方向上承受的應(yīng)力是11.44 MPa[8]。

2.1.2 巷道支護設(shè)計

1）進行數(shù)值模擬后的結(jié)果分析。將各種方案分別進行模擬，運用FLAC3D數(shù)值計算軟件，最終明確應(yīng)用于白洞煤業(yè)公司C5煤層5112巷的支護方案。進行模擬，對比各種方案：一是設(shè)錨桿的長度和直徑不變，當(dāng)錨桿預(yù)緊力不同時，對巷道圍巖應(yīng)力場分布狀況受到的影響進行研究。錨桿預(yù)緊力矩由小到大，分別為 150 N·m、350 N·m以及 450 N·m，錨桿所受的預(yù)緊力對應(yīng)分別為70 kN、85 kN和105 kN。二是假定預(yù)應(yīng)力和錨索直徑不變，錨桿長度按照大小排雷分別為1.6 m、2.1 m和2.5 m時，巷道圍巖應(yīng)力場分布影響（如圖1-1所示）。三是設(shè)預(yù)應(yīng)力和錨桿長度固定，巷道圍巖應(yīng)力場分布所受的各種錨桿直徑的影響（如圖1-3所示）。四是設(shè)預(yù)應(yīng)力、錨桿直徑及錨桿長度固定，巷道圍巖應(yīng)力場分布所受的各種頂板角錨桿布置角度的影響（如圖1-4所示）

圖1 不同特性錨索產(chǎn)生的應(yīng)力場分布

在錨桿支護系統(tǒng)中，預(yù)應(yīng)力發(fā)揮決定性作用。當(dāng)預(yù)應(yīng)力等于20 kN時，巷道圍巖中，錨桿支護形成的附加應(yīng)力最大值為0.25 MPa，產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)區(qū)間較小，有效壓應(yīng)力區(qū)的分布不連續(xù)，為形成統(tǒng)一體，在加大預(yù)應(yīng)力時，由錨桿支護產(chǎn)生的附加應(yīng)力場應(yīng)力值一直在變大，產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)范圍也在擴大。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到60 kN時，巷道圍巖中，錨桿支護形成的附加應(yīng)力最大值是0.55 MPa，所有的頂板基本上都存在有效壓應(yīng)力區(qū)，并構(gòu)成統(tǒng)一體，使其支護效果全面體現(xiàn)出來。

當(dāng)錨桿變長時，壓應(yīng)力區(qū)范圍變大，厚度變厚，其有更大的應(yīng)用范圍。此時錨桿的中上部受到的應(yīng)壓力下降，兩錨桿中間的圍巖承受較小的壓應(yīng)力。當(dāng)預(yù)應(yīng)力固定時，隨著錨桿長度的增加，會削弱預(yù)應(yīng)力效果，使其主動支護性下降。因此，當(dāng)錨桿長度增加時，要施加更大的預(yù)應(yīng)力。在巷道圍巖中，錨桿預(yù)應(yīng)力會不斷擴散，錨桿直徑對此會有一定影響。當(dāng)其值等于18 mm時，在不同錨桿中間的圍巖附加應(yīng)力比較小。當(dāng)他變大時，其擴散范圍更廣。在確定錨桿直徑時，必須充分分析當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)力學(xué)因素。要是其中的地應(yīng)力較大、圍巖的完整性不足、采動應(yīng)力對其有明顯影響，則錨桿尺寸必須增大。頂板角錨桿的角度會對巷道圍巖附加應(yīng)力場分布狀況有明顯的影響。若屬于垂直布置，此時的角錨桿與中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力連在一起并進行疊加。因此，煤層巷道為水平時，則頂板角錨桿布置要在垂直方向上。

2）支護方案。此前，已經(jīng)把數(shù)值模擬形成的結(jié)果有效結(jié)合，積累的經(jīng)驗比較多，所以確定白洞煤礦5112工作面時，采用的支護系統(tǒng)應(yīng)用了高強度錨桿、錨索。設(shè)計錨桿的螺紋鋼筋直徑為20 mm，長度為2.5 m，利用樹脂來加長錨固，錨桿所受預(yù)緊力矩超過500 N·m。其護頂?shù)人玫氖荳型鋼帶，厚度為5 mm，并配合使用菱形金屬網(wǎng)。不同的頂板錨桿相距1000 mm，各排相距1000mm。固定錨桿所用的是一支K2335以及兩支Z2360低黏度樹脂藥卷，錨固長1500 mm。在兩排錨桿上穿三根錨索，各排相距1500 mm，間距為1800 mm，所有都垂直于頂板巖層，錨索所受的預(yù)緊力介于100～120 kN之間[9]。

2.2 支護效果分析

掘進5112回風(fēng)巷和支護時，有效監(jiān)測巷道圍巖外形的變化狀況。如圖2所示為巷道表面位移監(jiān)測曲線，進行巷道掘進作業(yè)時，兩幫的移近總量為25mm；頂?shù)装逡平繛?6.6 mm。整體分析可知，這一階段巷道外形變化不大，有較好的支護作用。

圖2 巷道表面位移監(jiān)測曲線

回采5112工作面后，工作面產(chǎn)生松動，這必然會使巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生改變，工作面前方的煤巖體和巷道圍巖，應(yīng)力發(fā)生聚集，會影響到巷道圍巖的形狀。在5112回采工作面之前100 m內(nèi)，監(jiān)測巷道的表面位移，所得結(jié)果表示如圖2-2所示。通過分析可知，當(dāng)超出工作面79 m，巷道表面位移沒有明顯改變，從79 m處開始，巷道外形會受到工作面超前支撐壓力的影響。在距離65～79 m的位置，巷道兩幫和頂?shù)装宓男螤钤谙嗤瑫r間內(nèi)會出現(xiàn)明顯的變動。和監(jiān)測站相距5m時，兩幫移近量總計為250mm，頂?shù)装逡平康扔?00 mm。就總體而言，在工作面回采期間，巷道圍巖并未收到嚴(yán)重破壞，巷道外形變化較小，不回影響到巷道運輸和通風(fēng)[10]。

3 結(jié)語

在圍巖中，施加預(yù)應(yīng)力形成壓應(yīng)力區(qū)，從而使巷道受到錨桿的支護。錨桿和別的支護構(gòu)件組成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，有效強化巷道圍巖，從而有效約束圍巖結(jié)構(gòu)面離層、滑動、節(jié)理裂隙張開等擴容變形，使巷道圍巖有較高的完整度，確保其穩(wěn)定。

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

[2]許幫貴.大斷面巷道綜掘一次成巷錨桿支護試驗研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2006，23（3）：370-373．

[3]王金華.我國煤巷錨桿支護技術(shù)的新發(fā)展 [J].煤炭學(xué)報，2007，32（2）：113-118.

[4]馬念杰，吳聯(lián)君．煤巷錨桿支護關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（5）：77-79．

[5]王金華，康紅普.錨索支護傳力機制與應(yīng)力分布的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報，2008，33（1）：1-6．

[6]李海波，蔣會軍.動荷載作用下巖體工程安個的幾個問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（11）：1887-1891.

[7]竇林名，陸菜平.沖擊礦壓的強度弱化減沖理論及其應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2005，30（5）：690-694.

[8]顏峰，姜福興.爆炸沖擊載荷作用下巖石的損傷實驗[J].爆炸與沖擊，2009，29（3）：275-280.

[9]鞠文君.錨桿支護巷道頂板離層機理與監(jiān)測[J].煤炭學(xué)報，2000，25（S）：58-61.

[10]陳士海，喬衛(wèi)國.大興煤礦軟巖巷道錨索帶網(wǎng)支護技術(shù)應(yīng)用研究[J].巖土力學(xué)，2006，27（S）：902-904.