耿志飛
(西山煤電西曲礦生產(chǎn)技術(shù)科,山西 古交030200)
工作面巷道的支護質(zhì)量和效果直接決定綜采工作面生產(chǎn)的安全性和效率。針對煤礦不同的地質(zhì)、水文以及煤層等條件,其對應(yīng)的最佳支護方案不盡相同。近年來,預(yù)應(yīng)力錨桿支護已經(jīng)逐步應(yīng)用于綜采工作面巷道的支護設(shè)計中,但是由于預(yù)應(yīng)力錨桿支護設(shè)計方法單一、錨桿材料強度不高等因素導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力錨桿支護效果較差[1]。為此,本文著重開展預(yù)應(yīng)力錨桿支護的相關(guān)理論和實踐研究,為其后續(xù)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
當(dāng)煤礦工作面開采時,巷道的應(yīng)力重新分布使得圍巖受力由之前的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài),進而導(dǎo)致工作面巷道的承載能力大大被削弱。根據(jù)工作面巷道的變形及圍巖破壞程度將工作面劃分為Ⅰ圍巖破壞區(qū)、Ⅱ塑性區(qū)、Ⅲ彈性區(qū)和Ⅳ原巖應(yīng)力區(qū)。
預(yù)應(yīng)力錨桿對工作面巷道圍巖控制作用主要體現(xiàn)為以下幾點:
1)預(yù)應(yīng)力錨桿可為巷道圍巖表面提供足夠的支護抗力,進而可有效控制圍巖的有害變形;
2)預(yù)應(yīng)力錨桿可加固巷道圍巖,保證巷道的破壞區(qū)與塑性區(qū)具有良好的整體效果,可形成具有較高承載能力的組合梁或者組合拱;
3)預(yù)應(yīng)力錨桿可有效降低由于巷道開采所導(dǎo)致的圍巖強度降低,進而有效改善工作面巷道圍巖的力學(xué)參數(shù),強化巷道圍巖的承載能力[2]。
4)預(yù)應(yīng)力錨桿可改善巖體的受力狀態(tài),繼而改善整個巷道圍巖的應(yīng)力場;
5)預(yù)應(yīng)力錨桿可改善巷道巖體的變形性能,與其他支護構(gòu)架形成一個整體支護效果。
經(jīng)理論試驗研究可知,不同規(guī)格錨桿且不同預(yù)緊扭矩對應(yīng)的錨桿的預(yù)應(yīng)力關(guān)系如圖1所示。
圖1 錨桿預(yù)應(yīng)力與錨桿規(guī)格、預(yù)緊扭矩之間的關(guān)系
如圖1所示,隨著錨桿預(yù)緊扭矩的增加錨桿軸向預(yù)應(yīng)力不斷增加,而且,在同一預(yù)緊扭矩的作用下,基本呈現(xiàn)錨桿直徑越大其對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力值越大的趨勢[3]。
本文以某煤礦的1203運輸巷道為研究載體,對其預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案及其支護效果進行分析。1203運輸巷道煤層的平均厚度為2.4 m,煤層傾角范圍為20°~26°。1203運輸巷道的頂?shù)装迩闆r如表1所示。
表1 1203巷道頂?shù)装迩闆r
1203運輸巷道工作面在水平方向所受最大應(yīng)力值為34.5 MPa,在垂直方向上所受最大應(yīng)力值為30.48 MPa??偟膩碚f,1203運輸巷道工作面屬于高應(yīng)力巷道。
1203運輸巷道的形狀為梯形結(jié)構(gòu),該斷面的寬度為3.7 m,高度為3 m;凈寬度為3.4 m,凈高度為2.6 m。針對1203工作面巷道的地質(zhì)、煤層、水文等特征,工作面采用錨網(wǎng)+錨桿的組合支護方案。
2.2.1 錨桿支護參數(shù)
錨桿直徑為25 mm,錨桿長度為2.4 m,錨桿間排距為800 mm;其中,頂板錨桿的間距為900 mm,巷道上幫錨桿的間距為1 100 mm,巷道下幫錨桿的間距為800 mm。每排錨桿的數(shù)量為12根。為保證上述規(guī)格錨桿對巷道圍巖的控制效果,為其配置高強度錨桿螺母,并采用樹脂對錨桿進行加固[4]。
2.2.2 錨網(wǎng)支護參數(shù)
根據(jù)1203工作面頂板及兩幫的地質(zhì)條件為其配置厚度為5 mm,寬度為280 mm的鋼帶,并根據(jù)實際情況選擇長度為3.8 m、3.5 m以及1.8 m的鋼帶;對兩幫所選型的網(wǎng)片規(guī)格如下:4.5 m×0.9 m、3.6 m×0.9 m、1.9 m×0.9 m。
為驗證在上述基礎(chǔ)支護方案下不同預(yù)應(yīng)力錨桿的支護效果,在實際支護操作中分別采用錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m和600 N·m進行施工,并對兩種預(yù)緊扭矩對應(yīng)工作面巷道的礦壓進行監(jiān)測,從而得到不同錨桿預(yù)應(yīng)力對應(yīng)的巷道支護效果。
經(jīng)理論研究可知,當(dāng)錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m時對應(yīng)的錨桿預(yù)應(yīng)力為50 kN;當(dāng)錨桿預(yù)緊扭矩為600 N·m時對應(yīng)錨桿的預(yù)應(yīng)力為75~80 kN。本節(jié)著重對不同錨桿預(yù)應(yīng)力下巷道表面的位移變化、頂板的離層量以及錨桿的應(yīng)力情況進行對比。
經(jīng)現(xiàn)場觀測,巷道表面的位移變化通過巷道兩幫的移近量、兩幫移近速度、頂?shù)装宓囊平恳约绊數(shù)装宓囊平俣冗M行反映,所得監(jiān)測結(jié)果如表2所示。
表2 不同預(yù)應(yīng)力錨桿對應(yīng)的巷道表面位移變化
如表2所示,隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大,對應(yīng)工作面巷道的兩幫和底板的移近量明顯降低,且與之相對應(yīng)的移近速度也非常小。因此,適當(dāng)增大錨桿預(yù)應(yīng)力可對巷道表面圍巖進行有效控制[5]。
將兩種預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)用于巷道圍巖的支護方案中,并對其頂板的離層量變化情況進行為期60 d的觀測,得出如圖2所示的結(jié)果。
圖2 不同預(yù)應(yīng)力錨桿對應(yīng)的頂板離層量變化
如圖2所示,隨著工作面的不斷推進,工作面巷道頂板的離層量增大至一定值后趨于穩(wěn)定;而且,隨著錨桿預(yù)緊扭矩的增加,巷道頂板離層趨于穩(wěn)定所需時間縮短,當(dāng)錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m時對應(yīng)穩(wěn)定時間為41 d,而當(dāng)錨桿預(yù)緊扭矩為600 N·m時對應(yīng)穩(wěn)定時間為35 d;隨著錨桿預(yù)緊扭矩的增加巷道頂板的離層量明顯降低,當(dāng)錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m時對應(yīng)頂板離層量的平均值為57 mm,而當(dāng)錨桿預(yù)緊扭矩為600 N·m時對應(yīng)頂板離層量的平均值僅為4 mm。即說明,錨桿預(yù)緊力可對巷道頂板的離層量進行有效控制。
不同錨桿預(yù)應(yīng)力下錨桿的受力變化情況如表3所示。
表3 錨桿受力變化情況對比
如表3所示,隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加,將開采初期錨桿的受力與開采完畢后錨桿的受力情況進行對比,二者的差值明顯降低。即說明,錨桿預(yù)應(yīng)力適當(dāng)增加可保證錨桿的受力情況基本無變化。
預(yù)應(yīng)力錨桿為當(dāng)前工作面巷道支護常采用的支護手段,為保證預(yù)應(yīng)力錨桿在實際應(yīng)用中的支護效果。本文開展了預(yù)應(yīng)力錨桿的理論和實踐應(yīng)用研究,具體總結(jié)如下:
1)不同預(yù)緊扭矩由于所應(yīng)用工作面的不同,其對應(yīng)預(yù)應(yīng)力值不同;
2)隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值的增大,工作面巷道的表面圍巖、頂板離層量等均能夠得到有效控制,而且在施工期間錨桿的受力變化量很小。