預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)與普通錨索支護(hù)的對比研究

張志剛

（同煤集團(tuán)四老溝礦技術(shù)科， 山西 大同 037001）

引言

煤礦巷道的支護(hù)效果和質(zhì)量直接決定工作面是否能夠安全生產(chǎn)。目前，綜采工作面巷道以錨桿錨索聯(lián)合與鋼帶的聯(lián)合支護(hù)為主，但是在實(shí)際支護(hù)過程中由于支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理以及施工質(zhì)量不佳，導(dǎo)致最終支護(hù)強(qiáng)度不夠，進(jìn)而導(dǎo)致巷道頂板支護(hù)失效、鋼帶出現(xiàn)折斷等現(xiàn)象。為此，隨著對工作面巷道掘進(jìn)的推進(jìn)，工作面巷道受到動壓的周期性影響，需及時(shí)對支護(hù)施加一定量的預(yù)緊力，保證頂板能夠充分發(fā)揮其主動支護(hù)的作用[1]。本文著重對預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，具體闡述如下。

1 工程概況

某煤礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60 萬t/年，該煤礦切眼跨度的寬度范圍在8.6～10.6 m 之間，切眼高度為3.6 m，該煤礦的服務(wù)年限設(shè)計(jì)為40 年。本文將研究預(yù)應(yīng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案在某煤礦的應(yīng)用效果，并與普通錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)的應(yīng)用效果進(jìn)行對比。以某煤礦的1301 工作面為研究對象，該工作面共包含有可開采煤層3 號煤層和4 號煤層。且3 號和4 號煤層的頂?shù)装逯饕煞忠陨百|(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r和粉砂質(zhì)黏土巖為主。107 工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 107 工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)分析可知，1301 工作面屬于不穩(wěn)定巖層，因此在實(shí)際掘進(jìn)和開采過程中需注重對巷道頂板的支護(hù)設(shè)計(jì)。

2 支護(hù)現(xiàn)狀分析

目前，1301 工作面所采用的支護(hù)方式為普通錨索錨桿+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中需對工作面圍巖的變形情況進(jìn)行監(jiān)測，并得出如下結(jié)果：1301 工作面頂板的變形量和變形率較高，具體表現(xiàn)為：1301 工作面采用普通錨索錨桿+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)掘進(jìn)1 個(gè)月后，工作面頂板的總下沉量約為500 mm，工作面頂板的變形率約為17.5 mm/d。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1301 工作面的失效形式主要表現(xiàn)為頂板錨桿失效、部分錨索被拉斷、鋼帶被折斷。綜合表現(xiàn)為在巷道掘進(jìn)過程中需后期維護(hù)的工作量較大，嚴(yán)重制約了工作面的掘進(jìn)和生產(chǎn)效率。1301 工作面的頂板、兩幫圍巖變形如圖1 所示。

圖1 1301 工作面圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

如圖1 所示，在巷道掘進(jìn)初期工作面頂板和兩幫的變形速度在第一天達(dá)到最大值，分別為62 mm和27 mm，隨著工作面的推進(jìn)其變形速率逐步降低并趨于穩(wěn)定；巷道頂板和兩幫的變形量隨著工作面的推進(jìn)不斷增高，并在生產(chǎn)50 d 后頂板變形量最大，達(dá)到700 mm，兩幫變形量最大達(dá)到330 mm。

3 預(yù)應(yīng)力桁架錨索與普通錨索支護(hù)機(jī)理對比

與普通錨索不同的是，預(yù)應(yīng)力桁架錨索對巷道加固原理為，在基礎(chǔ)錨索與錨固劑聯(lián)合黏結(jié)作用的基礎(chǔ)上，通過在端部錨頭擠壓的作用下對巷道的圍巖提供長期有效的張拉力，進(jìn)而達(dá)到實(shí)現(xiàn)圍巖錨固的關(guān)鍵位置。為此，將預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)手段應(yīng)用于1301 工作面的支護(hù)中。

總的來說，預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)一方面可以與工作面頂板在空間位移上達(dá)到位移變形相互協(xié)調(diào)的目的；另一方面在預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)的作用下保證支護(hù)強(qiáng)度與圍巖的頂板和兩幫的來壓相互匹配[2]。

4 預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)方案的設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)主要由桁架連接器、高強(qiáng)度鋼絞線、錨具以及反扣裝置等組成[3-4]。

針對1301 工作面的特征，本文選用新型連接器作為其桁架連接器，該連接器能夠在水平和垂直方向同時(shí)提供足夠的預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)到改善工作面圍巖在水平和垂直方向的應(yīng)力狀態(tài)，使工作面圍巖能夠達(dá)到應(yīng)力平衡的狀態(tài)。結(jié)合1301 工作面的實(shí)際情況，選用14a 槽鋼的預(yù)應(yīng)力桁架的結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)是結(jié)合1301 工作面的實(shí)際情況對桁架錨索長度、桁架錨索預(yù)應(yīng)力、桁架錨索角度、桁架錨索孔口幫距以及頂板錨桿的間距等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和確定。為保證所得預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)參數(shù)、最終的支護(hù)效果和質(zhì)量為最佳，本文采用正交試驗(yàn)的方法對上述參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)選取[5]，結(jié)合1301 工作面的情況及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，各個(gè)參數(shù)的取值如表2 所示。

基于FLAC3D 軟件采用控制變量的原則，對工作面頂板下沉量、兩幫水平位移以及底鼓變形量等圍巖控制量進(jìn)行綜合考評，最終確定出最佳預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)參數(shù)的組合。經(jīng)優(yōu)化仿真，最終所得的最佳支護(hù)參數(shù)如下：桁架錨索的預(yù)應(yīng)力為120 kN，桁架錨索角度為45°，桁架錨索長度為7 100 mm，錨索孔口間距為800 mm，頂板錨桿間距為800 mm。

表2 預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)參數(shù)取值

5 預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)效果驗(yàn)證

在對預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，最終對1301 工作面的預(yù)應(yīng)力桁架錨索錨桿+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

1）工作面頂板所采用預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)的間排距為1.6 m，錨索的長度為7.1 m。

2）工作面頂板所采用錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 000 mm，錨桿的間距為800 mm，錨桿的排間距為800 mm；工作面所采用錨桿的參數(shù)與頂板一致。

3）工作面頂板所采用的金屬網(wǎng)片由12 號鐵絲制成，并為其配置直徑為10 mm 的鋼筋梁。

將上述支護(hù)參數(shù)分別體現(xiàn)于1301 工作面的支護(hù)實(shí)施中，并在工作面選取3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，對采用預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)后工作面的圍巖控制效果進(jìn)行為期兩個(gè)月的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖2 所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)效果（頂板）

如圖2 所示，基于預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)后，工作面頂板的最大變形量由之前的700 mm 降低至196 mm（3 號測點(diǎn)）。且采用預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)后，1301 工作面在17 d 后達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)。

6 結(jié)論

1）結(jié)合1301 工作面的情況，其對應(yīng)的最佳預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)的參數(shù)為：桁架錨索的預(yù)應(yīng)力為120 kN，桁架錨索角度為45°，桁架錨索長度為7 100 mm，錨索孔口間距為800 mm，頂板錨桿間距為800 mm。

2）經(jīng)實(shí)際支護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：采用預(yù)應(yīng)力桁架錨索錨桿+鋼帶聯(lián)合支護(hù)后，頂板和兩幫的圍巖得到明顯控制，且在工作面推進(jìn)過程中未出現(xiàn)巖層離層的現(xiàn)象。