高煤幫巷道錨桿錨索支護(hù)合理預(yù)緊力匹配設(shè)計(jì)及應(yīng)用

方樹(shù)林

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

0 引 言

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)是實(shí)現(xiàn)煤巷快速支護(hù)的唯一經(jīng)濟(jì)、有效的形式[1-6]。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，解決了煤巷支護(hù)的難題，實(shí)現(xiàn)了松軟煤層大斷面巷道的可靠支護(hù)，為礦井設(shè)備的大型化提供了空間，為礦井的高產(chǎn)高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。近年來(lái)，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的普及率逐年提升，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全煤系統(tǒng)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用比例已經(jīng)超過(guò)了80%。但是，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如巷幫錨桿、錨索破斷現(xiàn)象時(shí)常出現(xiàn)，甚至個(gè)別礦井發(fā)生過(guò)錨桿、錨索破斷傷人的事故。分析事故原因，發(fā)現(xiàn)錨桿、錨索二者預(yù)緊力不匹配是其中一個(gè)因素[7-14]。因此，研究錨桿錨索相互作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)錨桿和錨索支護(hù)的匹配，從而確定合理的支護(hù)參數(shù)和施工工藝，對(duì)于提高煤巷成巷速度和安全程度、實(shí)現(xiàn)礦井快速高效掘進(jìn)至關(guān)重要。

1 事故案例

1.1 工程概況

2014年4月18日，某礦30211綜采工作面端尾發(fā)生一起錨索破斷傷人事故。該工作面屬孤島工作面，回采期間經(jīng)歷兩側(cè)采空區(qū)動(dòng)壓影響，其平面布置如圖1所示。兩巷掘進(jìn)期間初次支護(hù)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)形式，錨桿為335#螺紋鋼，直徑22 mm，頂錨桿長(zhǎng)度2.4 m、幫錨桿長(zhǎng)度2 m，間排距為0.9 m×0.9 m，初始預(yù)緊力矩100 N·m；頂板錨索規(guī)格：直徑17.8 mm，長(zhǎng)度5 m，初始預(yù)緊力100 kN。

圖1 30211綜采工作面平面布置示意圖Fig.1 Plane layout sketch of fully mechanizedmining face 30211

回采期間，兩巷因壓力大，巷道收縮嚴(yán)重，在巷幫補(bǔ)打了直徑17.8 mm、長(zhǎng)度5 m的錨索控制變形，初始預(yù)緊力150 kN，控制兩幫變形效果顯著。但是，巷道底鼓現(xiàn)象依舊存在，需要拉底。

1.2 事故經(jīng)過(guò)及原因分析

2014年4月18日，拉底的兩人，一人拿洋鎬、一人拿鐵鍬交替作業(yè)，一人完畢，靠幫站著休息，突然他背后的一根幫錨索破斷射出，從身后射入身體，致其受傷，后經(jīng)搶救無(wú)效死亡。該錨索破斷射出段的長(zhǎng)度1.8 m，破斷處有明顯的頸縮現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，破斷的幫錨索突破了鐵絲捆綁，未能起到防護(hù)作用。

這是一起典型的錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)不匹配和錨索防護(hù)措施不可靠造成的事故。掘進(jìn)支護(hù)時(shí)，錨桿的預(yù)緊力偏低(100 N·m)，巷幫錨固體的支護(hù)能力處于較低水平，致使兩幫煤體在動(dòng)壓作用下嚴(yán)重破碎，殘余支護(hù)能力大幅降低，而后期補(bǔ)打的幫錨索預(yù)緊力達(dá)到150 kN，承擔(dān)了大部分的支護(hù)載荷，并集聚了很大的彈性能，長(zhǎng)期受載至達(dá)到破斷載荷時(shí)，錨索破斷并射出。分析這起事故，可以得出以下兩點(diǎn)。

1) 幫錨索破斷后射出的威力很大，能突破鐵絲的捆綁并射出傷人，而頂錨索破斷后仍能被捆綁的鐵絲防護(hù)住。所以，在水平應(yīng)力較大的礦區(qū)，幫錨索的防護(hù)比頂錨索更為重要。

2) 錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)的匹配很關(guān)鍵。錨桿和錨索二者的延伸率有差異，錨桿的延伸率能達(dá)到20%，而錨索的延伸率只有3.5%～7%，兩種延伸率差別很大的材料，用在同一條巷道的同一側(cè)幫，在圍巖發(fā)生變形破壞時(shí)，延伸率小的錨索承擔(dān)的載荷較大，也先破斷。所以，錨桿與錨索兩種類型的支護(hù)材料同時(shí)應(yīng)用時(shí)，相當(dāng)于一種“柔性支護(hù)”與“剛性支護(hù)”的組合，錨桿和錨索受力不均衡，錨索承擔(dān)過(guò)多的載荷，造成錨索、錨桿被各個(gè)擊破。所以，錨索與錨桿的支護(hù)匹配是解決問(wèn)題的根本所在。

2 錨桿與錨索支護(hù)參數(shù)匹配模擬分析

以該礦30211工作面回風(fēng)巷為對(duì)象，回風(fēng)巷斷面尺寸：寬×高=5.5 m×4.8 m，采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件[15]建立模型分析巷道某一側(cè)幫采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)二者的匹配關(guān)系。其中，幫錨桿直徑22 mm，長(zhǎng)度2.4 m，間排距為0.8 m×0.9 m；幫錨索直徑18.9 mm，長(zhǎng)度5.3 m，間排距為1.6 m×1.8 m。

2.1 錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案

根據(jù)預(yù)緊力施加等級(jí)，將幫錨桿預(yù)緊力矩劃分為200 N·m、300 N·m和400 N·m三個(gè)水平，幫錨索預(yù)緊力分別為150 kN、200 kN和250 kN三個(gè)水平。按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行組合，得出九種錨桿錨索預(yù)緊力匹配方案，見(jiàn)表1，并將每個(gè)方案的數(shù)值模型進(jìn)行模擬，如圖2所示。

2.2 模擬結(jié)果分析

當(dāng)錨桿預(yù)緊力矩依次為200 N·m、300 N·m和400 N·m，在不同錨索預(yù)緊力作用下巷道幫部應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分別如圖3～5所示。

1) 錨桿、錨索預(yù)緊力聯(lián)合作用在巷幫圍巖表面及內(nèi)部附近形成了大小不等的壓應(yīng)力區(qū)。幫錨桿預(yù)緊力產(chǎn)生的壓應(yīng)力值一般在40～100 kPa之間，幫錨索預(yù)緊力產(chǎn)生的壓應(yīng)力值一般在200～800 kPa之間。

2) 隨著預(yù)緊力的增大，錨桿、錨索形成的壓應(yīng)力值和范圍也在不斷擴(kuò)大，但當(dāng)幫錨桿預(yù)緊力達(dá)到300 N·m、幫錨索預(yù)緊力達(dá)到200 kN后，再增加預(yù)緊力對(duì)壓應(yīng)力值和范圍的增加效果不明顯。一方面，橫向比較圖4和圖5，二者的錨桿預(yù)緊力分別為300 N·m和400 N·m，但二者形成的應(yīng)力值大小相差不大，都在100 kPa左右；另一方面，縱向比較圖5(b)和圖5(c)，在同一錨桿預(yù)緊力(400 N·m)下，錨索預(yù)緊力從200 kN增大到250 kN，壓應(yīng)力作用范圍幾乎無(wú)變化。

3) 預(yù)緊力在巷幫淺部圍巖產(chǎn)生壓應(yīng)力的同時(shí)，在深部(錨桿錨索端部附近)圍巖也出現(xiàn)了小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，且預(yù)緊力越大，拉應(yīng)力的值和范圍越大；錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū)可以通過(guò)增加錨索的預(yù)緊力來(lái)進(jìn)行平衡，錨索預(yù)緊力在150 kN時(shí)還不足以平衡錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū)，達(dá)到200 kN或以上時(shí)才能有效平衡拉應(yīng)力區(qū)。

表1 巷幫錨桿、錨索預(yù)緊力組合Table 1 Pre-tightening force combination of boltand cable in roadway side

圖2 巷幫錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of bolt-cable combinedsupport in roadway side

圖3 200 N·m錨桿預(yù)緊力矩與不同錨索預(yù)緊力組合下巷幫圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of stress field in surrounding rock of roadway under the combination of 200 N·m ofpre-tightening moment of bolts and different pre-tightening forces of cables

圖4 300 N·m錨桿預(yù)緊力矩與不同錨索預(yù)緊力組合下巷幫圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of stress field in surrounding rock of roadway under the combination of 300 N·m ofpre-tightening moment of bolts and different pre-tightening forces of cables

圖5 400 N·m錨桿預(yù)緊力矩與不同錨索預(yù)緊力組合下巷幫圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of stress field in surrounding rock of roadway under the combination of 400 N·m ofpre-tightening moment of bolts and different pre-tightening forces of cables

因此，綜合考慮匹配效果和施工難度，建議巷幫進(jìn)行錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，幫錨桿的預(yù)緊力矩設(shè)定在200～300 N·m之間，同時(shí)幫錨索的預(yù)緊力設(shè)定在200～250 kN之間，是比較合理的匹配方案。

3 錨桿錨索支護(hù)匹配對(duì)策及應(yīng)用

錨桿和錨索相比較，錨索相當(dāng)于“剛性支護(hù)”材料，而錨桿相當(dāng)于“柔性支護(hù)”材料，兩種不同性質(zhì)的材料在同一礦壓作用條件下達(dá)到受力和變形的協(xié)調(diào)一致是不可能的。而要使它們既保持有效的支護(hù)作用，能夠適應(yīng)礦壓作用下的受力和變形協(xié)調(diào)，又不至于被各個(gè)擊破而造成支護(hù)系統(tǒng)失效，需要采取以下對(duì)策和措施。

1) 優(yōu)化錨索與錨桿的預(yù)緊力匹配關(guān)系。通過(guò)提高錨桿的預(yù)緊力矩并適當(dāng)降低錨索的預(yù)緊力，使得錨桿和錨索的變形富余量接近，從而縮小剛性差別。

2) 優(yōu)化錨索與錨桿的長(zhǎng)度關(guān)系。適當(dāng)加長(zhǎng)錨索的長(zhǎng)度，縮小其承載時(shí)與錨桿的允許變形量差，使其在一定程度上達(dá)到協(xié)調(diào)變形。

3) 優(yōu)化錨索與錨桿的預(yù)緊時(shí)間差關(guān)系。通過(guò)適當(dāng)滯后錨索的預(yù)緊時(shí)間，使得錨桿(巷道圍巖)達(dá)到一定的變化量后，再加載錨索，加大錨索的允許變形量，與錨桿的變形協(xié)調(diào)匹配。

4) 優(yōu)化錨索與錨桿的支護(hù)密度關(guān)系。在提高錨桿預(yù)緊力矩的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高錨索的支護(hù)密度，提高整個(gè)支護(hù)體系的支護(hù)剛度，控制錨索的破斷。

根據(jù)以上原則，對(duì)30211工作面回風(fēng)巷原支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化、調(diào)整，設(shè)計(jì)了新支護(hù)參數(shù)，見(jiàn)表2。

在30211回風(fēng)巷的臨近巷道采用上述支護(hù)方案進(jìn)行了施工，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，頂板離層不超過(guò)10 mm，巷道斷面收斂率小于8.1%。說(shuō)明優(yōu)化后的支護(hù)方案很好地控制了圍巖變形，支護(hù)效果理想。

表2 優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)Table 2 Optimized support parameters

4 結(jié) 論

1) 巷幫錨桿錨索支護(hù)不匹配是造成高煤幫巷道支護(hù)失效的重要原因之一。錨桿的延伸率能達(dá)到20%，而錨索的延伸率只有3.5%～7%，兩種延伸率差別很大的材料，用在同一條巷道的同一側(cè)幫，在圍巖發(fā)生變形破壞時(shí)，延伸率小的錨索承擔(dān)的載荷較大，先破斷，故錨索與錨桿支護(hù)匹配很關(guān)鍵。

2) 錨桿、錨索預(yù)緊力聯(lián)合作用在巷幫淺部圍巖形成了大小不等的壓應(yīng)力區(qū)，隨著預(yù)緊力的增大，壓應(yīng)力值和范圍也在不斷擴(kuò)大，但當(dāng)幫錨桿預(yù)緊力矩達(dá)到300 N·m、幫錨索預(yù)緊力達(dá)到200 kN后，再增加預(yù)緊力對(duì)壓應(yīng)力值和范圍的增加效果不明顯。

3) 綜合考慮匹配效果和施工難度，建議巷幫進(jìn)行錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，錨桿的預(yù)緊力矩設(shè)定在200～300 N·m之間，同時(shí)錨索的預(yù)緊力設(shè)定在200～250 kN之間，是比較合理的匹配方案。