整體耦合讓均壓錨桿支護(hù)技術(shù)在紅會(huì)礦區(qū)沿空巷道中的應(yīng)用

張宏升

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

為合理有效的解決沿空巷道支護(hù)這一難題，為改變巷道支護(hù)設(shè)計(jì)理念，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)支護(hù)安全，從沿空留巷整體耦合讓均壓基本理念進(jìn)一步對(duì)巷道系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究和應(yīng)用，也是該特殊環(huán)境條件下對(duì)巷道支護(hù)方面的一次技術(shù)革新。

1 工作面布置情況

圖1 1708工作面情況

從圖1中可以看出：1708工作面機(jī)道為沿空掘進(jìn)，與1710工作面采空區(qū)之間的間距為6m，1708工作面回風(fēng)巷附近無(wú)采動(dòng)影響。

2 巷道掘進(jìn)時(shí)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

根據(jù)目前掘進(jìn)頭的動(dòng)壓顯現(xiàn)明顯，且每次動(dòng)壓顯現(xiàn)時(shí)，錨桿木托盤(pán)都會(huì)低位讓壓，造成錨桿受力急劇下降，使錨桿處于低位波浪式受力，不能保證錨桿的長(zhǎng)時(shí)支護(hù)效率。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的情況，在距離掘進(jìn)頭50m左右以后的巷道，礦壓逐漸趨于穩(wěn)定，圍巖基本上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 原巷道支護(hù)支護(hù)方式存在的問(wèn)題

①錨桿支護(hù)系統(tǒng)初期支護(hù)效率高，但支護(hù)效率衰減快。②采用小托盤(pán)結(jié)構(gòu)容易施加安裝扭矩，但對(duì)充分發(fā)揮錨桿的作用效果并不好。③所用錨桿為普強(qiáng)桿體，在強(qiáng)礦壓條件下普強(qiáng)桿體的高延伸率，不足以控制圍巖的變形。④表面支護(hù)強(qiáng)度低、控制效果差，錨桿的外部支托條件很差，在受到工作面超前支承壓力的影響后，錨桿的錨固效果下降，致使錨桿支護(hù)后期支護(hù)效率低。⑤未根據(jù)巷道受力特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。目前的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)僅為常規(guī)設(shè)計(jì)，適用于條件較為簡(jiǎn)單的情形，對(duì)于紅會(huì)一礦的巷道變形顯現(xiàn)特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)其具體條件采用科學(xué)的針對(duì)性設(shè)計(jì)方案，如支護(hù)系統(tǒng)抗動(dòng)壓的能力等。⑥沿空側(cè)的錨桿樹(shù)脂錨固劑凝固時(shí)間過(guò)緩。由于圍巖初期變形較大，錨桿安裝因錨固劑凝固時(shí)間慢，不利于圍巖的維護(hù)，嚴(yán)重影響錨桿的初期工作效率及最終工作效率。因此，必須選擇快裝錨桿及合適的錨固劑，實(shí)現(xiàn)及時(shí)早期支護(hù)。

4 整體耦合讓均壓錨桿支護(hù)方案

根據(jù)整體耦合讓均壓支護(hù)原理，在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)具體的地質(zhì)和采礦條件，對(duì)耦合讓均壓參數(shù)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。包括：錨桿（索）的安裝載荷、圍巖應(yīng)力－錨桿（索）載荷平衡（最小支護(hù)強(qiáng)度）、圍巖變形－錨桿（索）延伸長(zhǎng)度耦合（支護(hù)體最小延伸長(zhǎng)度）、錨桿－錨索間的耦合。

（1）錨桿支護(hù)體系的高配置性能。①新方案錨桿規(guī)格為：Φ20×2600mm，選用鋼材為Q500礦用高強(qiáng)螺紋鋼，最小屈服強(qiáng)度15.7t、最小抗拉強(qiáng)度20.3t；原錨桿規(guī)格：Φ20×2400mm，選用鋼材為：20MnSi普通MG335螺紋鋼，最小屈服強(qiáng)度10t、最小抗拉強(qiáng)度15t。②托盤(pán)：高強(qiáng)球型托盤(pán)，承載能力大于23t;原托盤(pán)鋼材為普通鋼，承載能力大于10.5t。

（2）均壓管、扭矩放大器、阻尼螺母、“鳥(niǎo)窩”錨索等新材料、新設(shè)備的應(yīng)用，提高了支護(hù)質(zhì)量。

（3）錨桿的預(yù)應(yīng)力。錨桿的預(yù)應(yīng)力是控制圍巖早期變形的重要參數(shù)。預(yù)應(yīng)力過(guò)小會(huì)使圍巖發(fā)生過(guò)大的早期變形，松散破碎圈增大，引起頂板破碎，巷道變形增加。

（4）最小支護(hù)強(qiáng)度（應(yīng)力載荷耦合）和最小延伸長(zhǎng)度（變形耦合）。圍巖既是被支護(hù)的對(duì)象，又是支護(hù)體的一部分（自承）。錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)必須把圍巖和錨桿系統(tǒng)作為一個(gè)整體考慮。隨著開(kāi)采深度的不斷增加，巷道圍巖變形與應(yīng)力的關(guān)系變得越來(lái)越復(fù)雜。首先是“靜壓力”（垂直和水平）高帶來(lái)的“軟巖”變形大的特性。當(dāng)變形超過(guò)錨桿（錨索）的可延伸長(zhǎng)度時(shí)導(dǎo)致錨桿（錨索）破壞，最終整個(gè)支護(hù)體失穩(wěn)。在有沖擊傾向性的圍巖條件下，由于動(dòng)壓沖擊引起的瞬時(shí)壓力，造成支護(hù)體（包括錨桿、錨索以及圍巖）瞬時(shí)破壞，一般的來(lái)說(shuō)，是由于錨桿或錨索首先破壞而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)體失穩(wěn)。所以，合理的支護(hù)設(shè)計(jì)必須具有一定的變形讓壓性能，以達(dá)到支護(hù)體的特性曲線(xiàn)和圍巖特性曲線(xiàn)耦合，保證錨桿（索）在由于變形壓力引起超負(fù)荷時(shí)起到變形耦合和讓均壓作用。

（5）支護(hù)體（錨桿、錨索）和圍巖間的耦合。一個(gè)成功的錨桿支護(hù)系統(tǒng)，不僅要求支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到要求，還要根據(jù)圍巖應(yīng)力和變形特性曲線(xiàn)特征設(shè)計(jì)合理的錨桿特性曲線(xiàn)，以適應(yīng)圍巖應(yīng)力和變形的需要。

（6）耦合讓均壓錨桿（索）。耦合讓均壓錨桿是根據(jù)鋼材的原始特性以及動(dòng)壓特點(diǎn)，通過(guò)耦合讓均壓元件來(lái)改善錨桿（索）的工作特性曲線(xiàn)，使其與圍巖特性曲線(xiàn)耦合，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)目標(biāo)。

（7）錨桿和錨索間的耦合。采取耦合措施使得錨桿和錨索實(shí)現(xiàn)變形和載荷耦合協(xié)調(diào)，達(dá)到共同支護(hù)圍巖的目的。

（8）表面支護(hù)。表面控制是指錨桿托盤(pán)、鋼帶（鋼帶托盤(pán)）和金屬網(wǎng)等的合理設(shè)置。錨桿托盤(pán)是錨桿支護(hù)頂板的受力點(diǎn)，托盤(pán)的強(qiáng)度必須與錨桿匹配，托盤(pán)的大小必須保證。

5 技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

紅會(huì)一礦嘗試在1708工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行的工業(yè)性試驗(yàn),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明整體耦合讓均壓錨桿能夠保證在支護(hù)時(shí)使支護(hù)體具有一定的支護(hù)強(qiáng)度，提高被加固圍巖的整體性，又保證支護(hù)系統(tǒng)具有一定的讓壓性能。與普通錨桿支護(hù)系統(tǒng)相比，耦合讓均壓錨桿預(yù)應(yīng)力可以提高30%～50%。

1708工作面運(yùn)輸順槽變形量小，巷道斷面滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，巷道維修量小，返修率低，進(jìn)一步解決了沿空掘巷的支護(hù)技術(shù)問(wèn)題，不但提高了巷道支護(hù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，而且節(jié)約了大量資金，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為創(chuàng)建安全高效礦井打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，此技術(shù)將繼續(xù)推廣應(yīng)用于沿空巷道，不斷進(jìn)行完善與優(yōu)化。