復(fù)合頂板下錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

楊文峰　馮福現(xiàn)　李國(guó)清

摘要：文章通過(guò)理論分析、耦合支護(hù)效果分析及工程支護(hù)效果分析，分析了復(fù)合頂板巷道變形破壞機(jī)理，對(duì)相應(yīng)的錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)參數(shù)、支護(hù)耦合參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出針對(duì)中國(guó)平煤神馬集團(tuán)平煤股份九礦己16-17煤層復(fù)合頂板下的錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)及耦合支護(hù)參數(shù)，對(duì)復(fù)合頂板錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高復(fù)合頂板錨網(wǎng)索支護(hù)效果。

關(guān)鍵詞：復(fù)合頂板；支護(hù)參數(shù)；三徑匹配；優(yōu)化設(shè)計(jì)；錨網(wǎng)索支護(hù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TD353 文章編號(hào)：1009-2374（2016）02-0155-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.076

復(fù)合頂板巷道在煤礦中有廣泛的分布，復(fù)合頂板的支護(hù)是國(guó)內(nèi)外巷道支護(hù)的難題之一，復(fù)合頂板的變形破壞主要是因錨桿支護(hù)的主動(dòng)支護(hù)作用較差，復(fù)合頂板各巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育，錨網(wǎng)索支護(hù)由于初始錨桿（索）初始預(yù)應(yīng)力低，現(xiàn)場(chǎng)施工要求不嚴(yán)，錨桿（索）支護(hù)初始預(yù)緊力不足，層理發(fā)育、關(guān)鍵部位支護(hù)變形嚴(yán)重，加之材料管理混亂，鉆頭、錨桿、錨固劑三徑不匹配等各種原因，使復(fù)合頂板的初期離層量和變形量較大，進(jìn)而頂板的穩(wěn)定性持續(xù)惡化，最終導(dǎo)致復(fù)合頂板的大變形以至破壞。為此采用高預(yù)應(yīng)力錨桿（索），提高錨桿（索）的初始預(yù)緊力以充分發(fā)揮錨桿（索）的主動(dòng)支護(hù)作用，采用W、M鋼帶或梯形梁、工字鋼組合梁、護(hù)板幫等耦合支護(hù)，提高現(xiàn)場(chǎng)施工管理，為了研究錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)在復(fù)合頂板下的適用性，對(duì)我礦己16-17煤層復(fù)合頂板原錨網(wǎng)索支護(hù)出現(xiàn)的問(wèn)題及破碎原因進(jìn)行分析，對(duì)我礦己16-17煤層復(fù)合頂板錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定具體的耦合支護(hù)參數(shù)。

1 工程概況

我單位現(xiàn)施工的己16-17-22051風(fēng)機(jī)兩巷采深較大（-518～-630m），巷道設(shè)計(jì)斷面為梯形斷面，斷面尺寸凈寬4.6m、凈高3.3m，頂板傾角16°～25°。巷道為全煤巷，沿煤層頂板掘進(jìn)，其斷面頂、底板及兩幫圍巖主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤，圍巖較為松軟，巷道頂板及兩幫壓力較大，受鍋底山斷層影響，工作面隱伏地質(zhì)小構(gòu)造多，局部巷道頂板不穩(wěn)定。

2 原巷道支護(hù)情況及支護(hù)效果分析

原巷道采用Φ20/Φ22×2200mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿（強(qiáng)度335MPa），Φ15.8/Φ17.8×7000mm鋼絞線。原巷道部分巷道變形嚴(yán)重，巷道重復(fù)維修工程量大、維修成本高，嚴(yán)重制約我礦掘進(jìn)單產(chǎn)單進(jìn)水平，增大了維修人力成本投入及材料投入，一次支護(hù)變形嚴(yán)重后二次支護(hù)難度加大，后期維修成本高。

錨桿（索）的初始預(yù)應(yīng)力過(guò)小、長(zhǎng)度有限，使得錨網(wǎng)索支護(hù)的主動(dòng)支護(hù)效果得到很大降低，錨桿支護(hù)不能有效發(fā)揮作用，圍巖變形更加顯著。一旦受到外部因素?cái)_動(dòng)，巷道內(nèi)容易形成應(yīng)力集中，表現(xiàn)為較大的水平應(yīng)力。該構(gòu)造應(yīng)力使巷道圍巖沿著各自區(qū)域內(nèi)的弱面破壞，彈性區(qū)一部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，擴(kuò)大了塑性區(qū)的范圍，使得錨桿在現(xiàn)有長(zhǎng)度條件下，不能深入到關(guān)鍵承載圈，削弱了錨桿的錨固效果。如果一次錨固效果不佳，使得圍巖穩(wěn)定性遭到很大破壞，增大了后期巷道的支護(hù)難度。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化效果

經(jīng)施工期間，錨桿（索）長(zhǎng)度及強(qiáng)度的不斷加強(qiáng)，錨桿從Φ20×2200mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿（強(qiáng)度335MPa）到現(xiàn)采用Φ22×2600mm高強(qiáng)讓壓錨桿（強(qiáng)度500MPa），錨索從Φ15.8×6800mm鋼絞線到現(xiàn)采用Φ22×7000mm鋼絞線，到梯形梁、W鋼帶、護(hù)幫板（舊U型鋼）的投入，支護(hù)效果得到了很大提高，促進(jìn)了我礦高度、高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)材料的投入，也取得了一定的效果，優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)及耦合支護(hù)在我礦得到了進(jìn)一步的使用，降低了我礦巷道維修成本及投入。

4 巷道支護(hù)參數(shù)及耦合參數(shù)優(yōu)化

巷道支護(hù)情況的好壞主要取決于錨桿支護(hù)形式和參數(shù)的設(shè)計(jì)。采用錨網(wǎng)索支護(hù)時(shí)，在圍巖出現(xiàn)破壞、變形之前，錨桿主要通過(guò)提供徑向約束和切向約束對(duì)錨固范圍內(nèi)的頂板巖層產(chǎn)生圍壓，提高圍巖中弱面的抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，增強(qiáng)錨固范圍內(nèi)巖層承受水平構(gòu)造應(yīng)力的能力，避免應(yīng)力向上轉(zhuǎn)移形成新的破壞區(qū)，錨索主要起懸吊作用，對(duì)頂板進(jìn)行深部錨固，將錨桿支護(hù)形成的組合拱承載結(jié)構(gòu)傳遞到堅(jiān)硬頂板中。這樣錨桿與錨索就組成了耦合支護(hù)系統(tǒng)，在巷道頂板形成了耦合承載區(qū)，梯形梁、W鋼帶、護(hù)幫板（舊U型鋼）起均衡錨桿受力和提高整體支護(hù)作用，提高巷道支護(hù)的支護(hù)效果。頂部錨桿支護(hù)材料選取，按加固拱原理及懸吊理論驗(yàn)算確定錨桿支護(hù)參數(shù)如下，錨桿長(zhǎng)度按懸吊理論計(jì)算：

4.1 錨桿長(zhǎng)度L

錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算公式：

L=L1+kLp+L2

式中：

k——安全系數(shù)，取1.3

L1——錨桿外露長(zhǎng)度，取0.1～0.4m

Lp——塑性區(qū)寬度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，頂板松動(dòng)圈厚度取1.3～1.4m

L2——錨桿錨入圍巖松動(dòng)圈之外的深度，取0.4m

實(shí)際采用Φ22×2600mm高強(qiáng)讓壓錨桿（強(qiáng)度500MPa）。

4.2 錨固力N

N=π/4·（d2δ屈）

式中：

δ屈——桿體材料屈服強(qiáng)度，500MPa

d——桿體直徑，22mm

N=π/4×0.0222×500×106=190kN

4.3 錨桿間排距

錨桿間距D≤1/2L=1/2×2600=1300mm，取800mm。

錨桿排距L0=nN/（2kraL2）

式中：

n——每排錨桿數(shù)，7根

N——設(shè)計(jì)錨固力，150kN

k——安全系數(shù)，取3

r——上覆巖層平均容重，24kN/m3

a——巷道掘進(jìn)寬度之半，2.3m

根據(jù)參數(shù)計(jì)算，L=7×190×103/（2×3×24×103×2.3×1.5）=2.677m，取800mm。巷道兩幫錨桿間排距采用800×800mm，符合支護(hù)要求。

以上計(jì)算為錨桿支護(hù)驗(yàn)算，不含錨索、W鋼帶，為加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度增加錨索、W鋼帶耦合支護(hù)。

過(guò)構(gòu)造帶期間，由于巷道頂板不穩(wěn)定，巖層層理發(fā)育，復(fù)合頂板增厚，如支護(hù)效果仍不理想，可以使用已經(jīng)得到支護(hù)效果的錨索工字鋼組合梁耦合錨桿支護(hù)，提高巷道的支護(hù)效果。

優(yōu)化后支護(hù)效果，由于有了高預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨桿、長(zhǎng)錨索的使用，極大地增加了錨網(wǎng)索支護(hù)的主要支護(hù)系數(shù)，高預(yù)應(yīng)力錨索的使用調(diào)動(dòng)了深部穩(wěn)定巖石的錨固強(qiáng)度，同時(shí)由于W鋼帶、護(hù)幫板的耦合支護(hù)效果，巷道支護(hù)整體性得到了極大的增強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果明顯，巷道圍巖變形顯著減小，巷道斷面的強(qiáng)烈變形得到有效控制。

5 施工期間

施工期間，發(fā)現(xiàn)由于管理不完善，現(xiàn)場(chǎng)職工素質(zhì)有待提高，發(fā)現(xiàn)鉆頭、錨桿（索）、錨固力三經(jīng)匹配落實(shí)較差，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣，三經(jīng)不匹配，鉆頭過(guò)大，錨固劑過(guò)細(xì)，都使錨固效果得到很大的降低，所以施工期間加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，一般桿體直徑與鉆孔直徑的孔徑差應(yīng)控制在6～10mm，鉆孔直徑與樹(shù)脂藥卷直徑之差應(yīng)為4～8mm。提高錨桿支護(hù)與巖層的整體性，提高初始錨固力，以確保施工期間高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）支護(hù)效果。

6 支護(hù)參數(shù)得到優(yōu)化后效果

（1）充分調(diào)動(dòng)了深部穩(wěn)定巖石的錨固強(qiáng)度；（2）高預(yù)應(yīng)力預(yù)緊力支護(hù)材料的投入增大了初始錨固強(qiáng)度，提高了初始圍巖的穩(wěn)定程度和初始的錨固強(qiáng)度；（3）耦合支護(hù)的使用使巷道的支護(hù)整體性得到了極大增強(qiáng)，減少了巷道圍巖變形，巷道斷面的強(qiáng)烈變形得到了很好的控制；（4）加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理，在相同材料投入的情況下，提高了錨網(wǎng)索支護(hù)的支護(hù)效果。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）高預(yù)應(yīng)力預(yù)緊力材料的投入，增大了錨桿的初始錨固效果，提高錨網(wǎng)索支護(hù)的預(yù)緊力可以提高巷道的支護(hù)強(qiáng)度。（2）組合構(gòu)件的支護(hù)作用主要表現(xiàn)為：錨桿預(yù)應(yīng)力和工作阻力擴(kuò)散作用；支護(hù)錨桿間圍巖，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)；均衡錨桿受力和提高整體支護(hù)作用；減少錨桿預(yù)應(yīng)力損失的作用。（3）耦合支護(hù)的使用提高了巷道支護(hù)的整體性，可以極大地降低巷道支護(hù)變形，提高巷道整體支護(hù)效果。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：蔣建華）