深井軟巖高應(yīng)力區(qū)錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)新型安全高效預(yù)緊技術(shù)

張五一

(淮河能源(集團(tuán))股份有限公司 煤業(yè)公司 謝橋煤礦,安徽 阜陽(yáng) 236000)

我國(guó)煤礦以井工開(kāi)采為主,需要在井下開(kāi)掘大量巷道(近年來(lái)全國(guó)國(guó)有大中型煤礦每年新掘進(jìn)巷道總長(zhǎng)度超過(guò)10 000 km,其中煤巷超過(guò)8 000 km)。謝橋煤礦每年巖巷進(jìn)尺11 000 m,煤巷進(jìn)尺18 000 m 左右。謝橋煤礦最大主應(yīng)力為28.6～35.6 MPa,最小主應(yīng)力為18.55～22.3 MPa。工作面兩巷掘進(jìn)方向與礦井最大主應(yīng)力方向基本垂直,對(duì)巷道支護(hù)影響較大,兩幫應(yīng)力相對(duì)集中。錨桿(索)支護(hù)材料主要采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索,煤巷錨桿支護(hù)率已達(dá)99.8%。

近年來(lái),礦井開(kāi)采深度由-720 m 逐步向-1 000 m 深度延伸,在深部高應(yīng)力條件下,巖體物理力學(xué)性質(zhì)和圍巖變形機(jī)理都發(fā)生根本性改變,巷道支護(hù)困難日益顯現(xiàn)。深部開(kāi)采的“三高一擾動(dòng)”(高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓和強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng))使復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境、巷道圍巖條件軟弱、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)強(qiáng)烈,加之生產(chǎn)集中化和綜合機(jī)械化要求巷道斷面增大等,造成巷道礦壓顯現(xiàn),巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃问諗看蟆⒌坠膰?yán)重,巖體大破壞、強(qiáng)流變特征突出。因此,科學(xué)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)和如何提高錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)的安全性、可靠性、有效性,對(duì)礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益提高將非常重要。

1 錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)

錨桿(索)預(yù)緊力是高強(qiáng)度、高剛度錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)的決定性因素,對(duì)圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)效果起關(guān)鍵作用。預(yù)緊力可使頂板巖層處于橫向壓縮狀態(tài),旨在建立預(yù)應(yīng)力頂板,在一定程度上保護(hù)頂板免受水平應(yīng)力的破壞,減小高地應(yīng)力對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響。實(shí)踐證明,高預(yù)緊力能夠發(fā)揮錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)主動(dòng)支護(hù)作用,特別在層狀巖層和破碎圍巖條件下,通過(guò)錨桿(索)對(duì)各組疊加梁附加作用力,加大各巖層承載能力。高預(yù)緊力可有效改善頂板離層,減小頂板下沉,有利于對(duì)圍巖控制,防止圍巖破壞,保持圍巖穩(wěn)定。當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到高值時(shí),在錨桿(索)長(zhǎng)度范圍內(nèi),頂板離層可得以消除。

1.1 錨桿支護(hù)

巷道開(kāi)掘后,巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布,即圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中,巖體的物性狀態(tài)由彈性向塑性轉(zhuǎn)變,巷道周邊圍巖產(chǎn)生塑性變形,從周邊向巖體深部擴(kuò)張。當(dāng)頂板結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,軟弱夾層和層理發(fā)育時(shí),其穩(wěn)定性差,尤其在同一巷道內(nèi),頂板賦存狀態(tài)頻繁變化,錨桿支護(hù)不能有效地控制頂板離層,垮落現(xiàn)象頻繁,導(dǎo)致惡性冒頂事故時(shí)有發(fā)生。錨桿的作用是在頂板變形的早期階段、松動(dòng)膨脹變形前加固,提高頂板穩(wěn)定性。錨桿的主動(dòng)支護(hù)體現(xiàn)在錨桿支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖的初始支護(hù)阻力,而初始支護(hù)阻力是由錨桿的預(yù)緊力產(chǎn)生的,將圍巖變形載荷傳遞給錨桿,增大其支護(hù)阻力,控制圍巖變形。錨桿預(yù)緊力是體現(xiàn)錨桿支護(hù)主動(dòng)性的重要指標(biāo)(如圖1所示)。

圖1 錨桿支護(hù)圍巖響應(yīng)曲線

《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 35056—2018)要求,考慮到巷道開(kāi)挖后巖層的形變及彈性能釋放,一般情況下錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)是按照錨桿預(yù)緊力為錨桿屈服載荷30%～60%來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,即桿體的直徑越大,桿體的材質(zhì)強(qiáng)度越高,要求的預(yù)緊力值越高。在井下現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,影響錨桿預(yù)緊力的因素有錨桿強(qiáng)度、錨固劑性能、被錨固巖體巖性、施工質(zhì)量、預(yù)緊工具及錨桿尾部螺母所承受的預(yù)緊扭矩等,其中錨桿尾部螺母所承受的預(yù)緊扭矩是影響錨桿預(yù)緊力的主要因素。

目前,謝橋礦選用的支護(hù)錨桿為MG400φ22×2 400 mm,屈服強(qiáng)度≥400 MPa,抗拉強(qiáng)度≥540 MPa,極限破斷載荷為216 k N 左右,拉斷載荷最大延伸率為12%;錨桿選用法蘭式螺母,螺母材料的抗拉強(qiáng)度≥630 MPa,螺母螺紋的承載力大于錨桿桿體尾部螺紋承載力;螺母與球形墊圈間設(shè)置尼龍減摩墊圈;螺母組裝件承載效率系數(shù)η=0.90;錨桿托盤(pán)厚度為6 mm,鋼材屈服強(qiáng)度≥235 MPa,托盤(pán)承載力不小于桿體屈服力標(biāo)準(zhǔn)值的1.3倍;配套M5型(厚度為5 mm)鋼帶,屈服強(qiáng)度≥215 MPa,拉斷載荷為207.6 k N;10#鍍鋅鐵絲編制的菱形金屬網(wǎng),鋼絲抗拉強(qiáng)度為450 MPa,伸長(zhǎng)率≥12%,強(qiáng)度降低率≤10%。

現(xiàn)場(chǎng)施工依據(jù)每班探測(cè)的頂板賦存巖性情況確定錨桿錨固長(zhǎng)度:Ⅲ類(lèi)以上較穩(wěn)定的頂板采用加長(zhǎng)錨固支護(hù),即每根錨桿用2卷Z2360型錨固劑;有軟弱夾層組合的復(fù)合頂板和Ⅲ類(lèi)中等穩(wěn)定頂板以下的采用加長(zhǎng)全錨固支護(hù),即每根錨桿用1卷K2550+2卷2860型錨固劑。幫部錨桿采用加長(zhǎng)錨固支護(hù),每根錨桿用2卷Z2360型錨固劑。因采用氣動(dòng)單體錨桿鉆機(jī)施工,錨桿設(shè)計(jì)錨固力為152 k N,設(shè)計(jì)預(yù)緊力矩不低于200 N·m。

1.1.1 錨桿錨固力

頂板錨桿鉆孔直徑為30 mm,錨桿規(guī)格為φ22×2 400 mm,每孔2卷Z2360樹(shù)脂錨固劑,錨固力設(shè)計(jì)為120 k N,錨桿理論錨固長(zhǎng)度為1 526 mm;計(jì)算錨固劑與錨桿間的粘結(jié)力P1=1 054.1 k N,錨固劑與孔壁間的粘結(jié)力P2=251.5 k N,設(shè)計(jì)錨固力P=min(P1,P2)=251.5 k N＞120 k N?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)錨桿錨固力(抗拉拔力)大于180 k N。

1.1.2 錨桿預(yù)緊力

現(xiàn)場(chǎng)煤巷錨桿支護(hù)施工機(jī)具采用傳統(tǒng)的MQT-120(130)氣動(dòng)單體錨桿鉆機(jī)(額定扭矩120/130 N·m)施工頂板眼、緊固頂板錨桿;使用MQC-60氣動(dòng)手持式鉆機(jī)(額定扭矩為60 N·m)施工幫部眼、緊固幫部錨桿;使用DMS-4多功能錨桿鎖緊器輔助二次加扭,錨桿設(shè)計(jì)預(yù)緊力矩為200 N·m。根據(jù)錨桿預(yù)緊力與尾部螺母所承受的預(yù)緊扭矩公式P=M/KD計(jì)算,當(dāng)錨桿預(yù)緊力矩為200 N·m時(shí),錨桿理論計(jì)算預(yù)緊力應(yīng)為36 k N。

錨桿支護(hù)規(guī)范要求,錨桿預(yù)緊力不小于錨桿屈服載荷最低值(216 k N)的30%,應(yīng)為65 k N?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)錨桿預(yù)緊力基本在22～36 k N 左右?，F(xiàn)場(chǎng)錨桿實(shí)際的預(yù)緊力值小于錨桿桿體破斷載荷及錨桿支護(hù)系統(tǒng)有效載荷所需要求的數(shù)倍。錨桿預(yù)緊力低,影響現(xiàn)有錨桿支護(hù)系統(tǒng)不能有效發(fā)揮其對(duì)巷道圍巖承載、控制作用,造成現(xiàn)場(chǎng)錨桿支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)效果差。

1.2 錨索支護(hù)

1996年成功研制的適用于煤巷條件的小孔徑樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索,解決了大量煤礦復(fù)雜巷道支護(hù)難題,成為巷道支護(hù)與圍巖加固的關(guān)鍵技術(shù)。其高預(yù)緊力充分發(fā)揮了錨索自身的高預(yù)應(yīng)力和支護(hù)強(qiáng)度,消除巖層內(nèi)裂縫空隙,使巖層鎖緊為一個(gè)整體。高預(yù)緊力通過(guò)錨索梁(T型鋼帶)、托盤(pán)等護(hù)表構(gòu)件的有效擴(kuò)散,提高了錨固體的整體剛度,保持了頂板的完整性、支護(hù)整體性和有效性。

現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)錨索選用φ21.8 mm-1×19股高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa,極限破斷載荷為607 k N 左右,延伸率不小于7%;錨索墊板使用150 mm×150 mm×16 mm錨索托盤(pán),抗拉強(qiáng)度≥490 MPa;錨具規(guī)格為KM22-1860,錨具效率系數(shù)≥0.95,總伸長(zhǎng)率不低于2.0%;夾片靜載錨固性能系數(shù)≥0.95;配套錨索梁(T 型鋼帶)抗拉強(qiáng)度≥490 MPa,極限破斷力為860 k N。頂板錨索每孔使用3 卷Z2360型錨固劑,錨索設(shè)計(jì)錨固力為350 k N,設(shè)計(jì)預(yù)緊力為180 k N(因現(xiàn)有張拉機(jī)具達(dá)不到更高值)。

1.2.1 錨索錨固力(抗拉拔力)

頂板錨索鉆孔直徑設(shè)計(jì)為30 mm,錨索規(guī)格φ21.8×6 200 mm,每孔3卷Z2360樹(shù)脂錨固劑,錨固力設(shè)計(jì)為350 KN,錨索理論錨固長(zhǎng)度為2 194 mm;計(jì)算錨固劑與錨桿間的粘結(jié)力P1=1 501.8 k N,錨固劑與孔壁間的粘結(jié)力P2=361.7 KN,設(shè)計(jì)錨固力P=min(P1,P2)=361.7 KN＞350 KN。

1.2.2 錨索預(yù)緊力

φ21.8 mm-1×19預(yù)應(yīng)力錨索極限破斷載荷為607 k N,錨桿支護(hù)規(guī)范要求錨索預(yù)緊力應(yīng)不小于錨索屈服載荷最低值的40%,應(yīng)為243 k N。現(xiàn)場(chǎng)錨索的張拉預(yù)緊多采用傳統(tǒng)的MQ22-300/60礦用氣動(dòng)錨索張拉機(jī)具進(jìn)行張拉。由于采用壓氣驅(qū)動(dòng),受風(fēng)壓和設(shè)備的限制,張拉速度慢,張拉機(jī)具易壞,難以保證錨索張拉效果,預(yù)緊力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;一根錨索張拉時(shí)間需要3～5 min,每班需要近2 h張拉鎖緊時(shí)間,工作效率低,巷道支護(hù)效果差。

錨索預(yù)緊力存在理論損失和施工損失,錨索張拉后實(shí)際預(yù)緊力損失達(dá)30～50%?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)錨索預(yù)緊力基本為80～100 k N 左右,錨索預(yù)緊力值也小于錨索桿體破斷載荷及錨索支護(hù)系統(tǒng)有效載荷所需要求的數(shù)倍,錨索預(yù)緊力低造成錨索支護(hù)系統(tǒng)不能有效發(fā)揮對(duì)巷道圍巖承載、控制作用。

2 創(chuàng) 新

2.1 新型錨桿減摩墊圈

減摩墊圈對(duì)于減少螺母與托板之間的摩擦阻力和摩擦扭矩起著關(guān)鍵作用。在現(xiàn)有施工機(jī)具、工藝不變條件下,使用滾動(dòng)減摩墊圈替代尼龍減摩墊圈,減少錨桿預(yù)緊時(shí)螺母與托盤(pán)間的摩擦損耗,提高“扭矩-預(yù)緊力”轉(zhuǎn)化效率。通過(guò)對(duì)樹(shù)脂錨固劑優(yōu)化,拉大快速錨固和中速錨固的凝膠時(shí)間差,提高錨桿桿體預(yù)應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)高預(yù)緊力錨固。

采用新型滾動(dòng)減摩墊圈(如圖2所示),使用氣動(dòng)單體錨桿鉆機(jī)(額定扭矩為130 N·m)+DMS-4型多功能錨桿鎖緊器輔助加扭緊固,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頂板錨桿扭矩為275 N·m,預(yù)緊力達(dá)到83～98 k N;幫部采用氣動(dòng)手持式鉆機(jī)(額定扭矩為60 N·m)+DMS-4型多功能錨桿鎖緊器輔助加扭緊固,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)錨桿扭矩為200 N·m,預(yù)緊力達(dá)到62 k N。新型滾動(dòng)減摩墊圈現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖2 新型滾動(dòng)減摩墊圈

表1 新型滾動(dòng)減摩墊圈現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(其中數(shù)據(jù)最小值的一組)kN

原有尼龍減摩墊圈為旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)摩擦,而滾動(dòng)減摩墊圈是由滾針和保持架組成的滾動(dòng)體,隨著錨桿螺母旋轉(zhuǎn)預(yù)緊時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。相比于尼龍減摩墊圈,滾動(dòng)減摩墊圈摩擦系數(shù)大幅降低,錨桿桿體及支護(hù)系統(tǒng)能形成高預(yù)應(yīng)力和高預(yù)緊力,增強(qiáng)整體支護(hù)強(qiáng)度。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,不同減摩材料的摩擦系數(shù)相差懸殊,有的多達(dá)數(shù)十倍。錨桿采用滾動(dòng)減摩墊圈,減少了預(yù)緊時(shí)螺母與托盤(pán)間的摩擦損耗,最大限度地將錨桿安裝扭矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力,提高了“扭矩-預(yù)緊力”轉(zhuǎn)化效率。改變?cè)^桿支護(hù)系統(tǒng)低效的弊端,充分發(fā)揮錨桿桿體預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度和高效錨固、高預(yù)緊力作用,錨桿預(yù)緊力由原36 k N 提高至78～92 k N,巷道錨桿支護(hù)系統(tǒng)安全性、高效性得到提升,支護(hù)效果顯著。

2.2 新型錨索張拉設(shè)施

利用掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)(供液壓力16～20 MPa)加裝液壓增壓閥裝置,來(lái)張拉頂板錨索,液壓張拉增壓裝置工作原理如圖3所示。升壓2.5倍,通過(guò)控制閥快速將頂板錨索張拉到設(shè)計(jì)值180～240 k N 以上。采用高效液壓預(yù)緊工藝實(shí)現(xiàn)錨索支護(hù)高預(yù)緊力,巷道安全支護(hù)效果顯著。同比MQ22-300/60型礦用氣動(dòng)錨索張拉機(jī)具,現(xiàn)掘進(jìn)迎頭張拉一根錨索僅需10～15 s,每班進(jìn)尺3 m,需要10 min,節(jié)省110 min,效率提升11倍,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提升掘進(jìn)效率及工效。

圖3 液壓張拉增壓裝置工作原理

3 結(jié) 語(yǔ)

錨桿(索)支護(hù)技術(shù)的精髓就是施加高預(yù)緊力。巷道開(kāi)挖后立即支護(hù),施加足夠的預(yù)緊力,錨桿(索)支護(hù)效果最好。錨桿(索)支護(hù)后,形成錨桿(索)-圍巖共同承載結(jié)構(gòu),改善錨固體力學(xué)性能,提高錨固體峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度,特別是殘余強(qiáng)度的提高,有效提高圍巖的自承能力,控制圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)發(fā)展,使巷道圍巖由不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

采用新型滾動(dòng)減摩墊圈替代尼龍減摩墊圈,實(shí)現(xiàn)錨桿高預(yù)應(yīng)力的可靠施加與有效擴(kuò)散,主動(dòng)控制頂板淺部層位錯(cuò)動(dòng),有效降低頂板淺部錨索剪切破斷、孔內(nèi)崩斷和彈出機(jī)率風(fēng)險(xiǎn);對(duì)錨索施加高預(yù)緊力,通過(guò)錨索梁(T 型鋼帶)、托盤(pán)的有效擴(kuò)散,更有效地提高錨固體的整體剛度,更有利于保持頂板的完整性;錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)施加高預(yù)緊力可消除巖層內(nèi)原始的裂縫空隙,使各個(gè)巖層鎖緊為一個(gè)整體;提高錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)高預(yù)緊力,使支護(hù)強(qiáng)度增加,圍巖的極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度也隨之提高,當(dāng)圍巖殘余強(qiáng)度提高到一定程度時(shí)就能保持巷道穩(wěn)定。

采用滾動(dòng)減摩墊圈替代尼龍減摩墊圈實(shí)現(xiàn)錨桿高預(yù)應(yīng)力、高預(yù)緊力,采用高效液壓增壓裝置預(yù)緊施工工藝實(shí)現(xiàn)錨索高預(yù)緊力,通過(guò)錨桿(索)長(zhǎng)短結(jié)合,使巷道在支護(hù)范圍內(nèi)形成較強(qiáng)的殼結(jié)構(gòu)體,其穩(wěn)定性較好,支護(hù)強(qiáng)度高,巷道維修量大幅減少,掘進(jìn)效率及工效顯著提高,安全效果明顯,現(xiàn)場(chǎng)使用和推廣應(yīng)用價(jià)值高。