錨桿預(yù)應(yīng)力對巷道支護效果的影響

耿志飛

（西山煤電西曲礦生產(chǎn)技術(shù)科，山西 古交030200）

引言

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)。

1 預(yù)應(yīng)力錨桿的支護機理研究

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]。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿的支護設(shè)計

2.1 工程概況

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。

2.2 運輸巷道支護設(shè)計

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。

3 不同預(yù)應(yīng)力錨桿對巷道的支護效果對比

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。

3.1 不同預(yù)應(yīng)力錨桿下巷道表面的位移變化

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]。

3.2 不同預(yù)應(yīng)力錨桿下巷道頂板的離層量變化

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。

3.3 不同錨桿預(yù)應(yīng)力下錨桿受力情況對比

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。

4 結(jié)語

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。