均壓支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

李軍壘 陳志剛

（平煤股份十礦，河南 平頂山 467013）

均壓支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

李軍壘 陳志剛

（平煤股份十礦，河南 平頂山 467013）

為了改善深部礦井煤巷因質(zhì)地條件復(fù)雜，造成的巷道變形破壞嚴(yán)重的狀況，鑒于以往的工程實(shí)踐效果，通過均壓方式實(shí)現(xiàn)所有錨網(wǎng)索共同承載圍巖應(yīng)力，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及結(jié)果觀測(cè)，均壓技術(shù)有效地提高了錨桿和錨索的共同承載力，增加了巷道支護(hù)強(qiáng)度。

高地壓；錨網(wǎng)支護(hù)；均壓

平煤股份十礦戊9.0-20160工作面機(jī)巷沿戊9煤層頂板掘進(jìn)，與戊9.0-20180采空區(qū)間距4.5m，巷道處于采動(dòng)應(yīng)力上升區(qū)。戊9.0-20160工作面機(jī)巷煤層傾角6°～10°，平均8°，煤層厚度2.5～3.8m，平均2.9m，在煤層中部含有一層0.15～0.30m厚的泥巖夾矸。工作面煤層直接頂板為灰黑色泥質(zhì)粉砂巖，裂隙發(fā)育，含植物化石，厚1.5～8.0m；老頂為灰色細(xì)粒砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，致密堅(jiān)硬，厚15m左右。煤層直接底板為灰黑色泥巖，遇水膨脹。

1 采用普通錨桿支護(hù)存在的問題

采用普通錨桿支護(hù)存在著較多問題，如：巷道支護(hù)效果差，個(gè)別錨桿索“偷懶”，支護(hù)系統(tǒng)讓壓性能差，錨桿預(yù)應(yīng)力低，表面支護(hù)強(qiáng)度低。

總之，錨桿索強(qiáng)度與之輔助的盤、錨固劑、錨索相互匹配，共同承載、均勻受壓用力，才能形成“團(tuán)結(jié)力量大”的支護(hù)系統(tǒng)，才能有效提高支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度。

2 均壓支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 基本設(shè)計(jì)原則

巷道支護(hù)能夠支護(hù)圍巖頂板，必須考慮支護(hù)系統(tǒng)中錨桿—錨索變形關(guān)系、錨桿—錨索和圍巖之間的關(guān)系、錨桿錨索的均壓統(tǒng)一受力等支護(hù)特性和圍巖應(yīng)力強(qiáng)度之間關(guān)系，以保證支護(hù)體共同承載地應(yīng)力。一是支護(hù)系統(tǒng)能共同、有效、均勻地支護(hù)圍巖，在保證圍巖穩(wěn)定的條件下，允許支護(hù)體發(fā)生一定的變形從而形成均壓性能。二是合理的初應(yīng)力可以壓實(shí)表面圍巖體，保證早期的主動(dòng)支護(hù)效果，提高圍巖的承載能力和穩(wěn)定性。三是合理的支護(hù)參數(shù)，包括錨桿長(zhǎng)度和布置，使用讓壓錨桿實(shí)現(xiàn)支護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)均壓。四是合理的錨桿索材質(zhì)、錨桿結(jié)構(gòu)和錨桿部件（托盤、金屬網(wǎng)、螺母和錨固劑等）及良好合理地安裝方式。

2.2 巷道設(shè)計(jì)斷面：根據(jù)通風(fēng)、運(yùn)輸、設(shè)備安裝等要求，戊9.0-20160工作面機(jī)巷為直墻梯形：寬×中高=4.0m×3.0m。

2.3 支護(hù)方案：綜合考慮戊9.0-20160工作面機(jī)巷圍巖強(qiáng)度低且還要經(jīng)受采煤工作面采動(dòng)影響，錨桿支護(hù)參數(shù)選擇如下：

錨桿的安裝載荷：依據(jù)地質(zhì)和采礦條件，直接頂層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育，且厚度變化較大，開掘后一段時(shí)間后產(chǎn)生崩解碎脹而破壞。根據(jù)類似條件下的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)和有限元數(shù)值分析，頂板錨桿的安裝應(yīng)力不應(yīng)小于8 0KN。煤層呈粉末碎塊狀，軟弱松散，為了保證煤壁的及時(shí)主動(dòng)支護(hù)，防止兩幫位移過大，兩幫錨桿的安裝應(yīng)力不應(yīng)小于50 KN。

根據(jù)巷道所處的地質(zhì)條件，考慮動(dòng)壓的影響，用有限元數(shù)值模擬的方法得到圍巖應(yīng)力和變形特性曲線圖1。

圖 1 圍巖應(yīng)力和變形特性曲線

由圍巖應(yīng)力和變形特性曲線可以分析得出：為了有效地進(jìn)行巷道支護(hù)，支護(hù)體的工況點(diǎn)應(yīng)設(shè)在低位（50 t/m）；相應(yīng)的錨桿支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該具有的最大讓壓距離40mm。當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度低于50 t/m時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度的微小變化將引起巷道狀況出現(xiàn)巨大的變化。如果錨桿支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)能力不大于破壞能力，則錨桿的受力將變?yōu)?，失去其支護(hù)作用，錨桿和圍巖一起移動(dòng)。

根據(jù)圍巖應(yīng)力和變形特性曲線研究，設(shè)計(jì)的支護(hù)系統(tǒng)如下:

最小支護(hù)強(qiáng)度：70 t/m，巷道圍巖位移：30mm，錨桿系統(tǒng)的允許的最大變形30mm。

錨桿和間排距：根據(jù)上述確定的支護(hù)強(qiáng)度及巷道高度及圍巖特征及鄰近巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，選用Φ22×2 400mm高強(qiáng)錨桿，其技術(shù)指標(biāo)如下：屈服強(qiáng)度：153.3KN，抗拉強(qiáng)度：202KN，每排錨桿：6根，排距：800mm。

2.4 表面支護(hù)：為了保證錨桿系統(tǒng)有效地支護(hù)頂板和兩幫，加強(qiáng)表面支護(hù)強(qiáng)度，起到均壓的作用。根據(jù)圍巖條件，選擇如下：托盤：150×150×10mm高強(qiáng)球型托盤，承載能力大于32 t；鋼帶：2.75×300mmW鋼帶，金屬網(wǎng)：采用Φ4冷拔絲編制金屬網(wǎng)，網(wǎng)格80×80mm。

2.5 頂板支護(hù)：頂板采用金屬網(wǎng)與W鋼帶聯(lián)合表面支護(hù)措施。頂板W鋼帶的長(zhǎng)度為2 100mm，三孔，孔間距為750mm。

2.6 錨固劑：為了達(dá)到所需要的錨桿安裝載荷，達(dá)到錨桿的最大抗拉強(qiáng)度，選用MZK28500中慢速樹脂（鉆孔直徑為Φ28 mm），每根錨桿用兩支樹脂錨固劑。

2.7 幫部支護(hù)：幫部錨桿的類型和參數(shù)與頂板相同。幫部表面支護(hù)按下面方案施工：上幫上部的3根錨桿共用一條W鋼帶，W鋼帶的長(zhǎng)度為1 980mm，三孔，孔間距為750mm，最下面的錨桿單獨(dú)布置；下幫巷道上部的2根錨桿共用一條W鋼帶，W鋼帶的長(zhǎng)度為1 200mm，2孔，孔間距為800mm，最下面的錨桿單獨(dú)布置。

2.8 錨索：考慮到巷道寬帶及圍巖的特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)巖性特點(diǎn)，經(jīng)分析確定：

頂板均壓錨索的長(zhǎng)度為7.3m，錨索的直徑為22mm，錨索的安裝載荷為80 KN；錨索托盤使用300×300×10mm的高強(qiáng)方型托盤，托盤的強(qiáng)度大于380KN，為提高錨索的整體性，采用叢向三根錨索吊一根槽鋼的形式，提高錨索受力均壓性能，增加支護(hù)系統(tǒng)的整體性。采用的22#槽鋼長(zhǎng)度為3.4m，三個(gè)孔，孔間距1.6m。錨索均壓點(diǎn)：90 KN，均壓距離：25mm。每套錨索采用.三支MZKk28500的樹脂錨固劑。

圖 2 巷道支護(hù)斷面

3 巷道變形監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：巷道表面位移、頂板離層、錨桿受力、錨桿錨固力、錨桿安裝應(yīng)力等。

3.1 表面位移監(jiān)測(cè)

采用新支護(hù)施工的巷道，每間隔20m設(shè)置一個(gè)觀測(cè)斷面，觀察采用“十”字布點(diǎn)法進(jìn)行。

3.2 頂板離層監(jiān)測(cè)

為檢驗(yàn)新錨桿設(shè)計(jì)的支護(hù)效果，監(jiān)測(cè)頂板離層情況，采用頂板離層儀進(jìn)行觀測(cè)。在已經(jīng)掘出的扭矩應(yīng)力錨桿支護(hù)的巷道內(nèi)，沿巷道方向每隔50m安裝一組頂板離層儀，深部幾點(diǎn)7m、淺不基點(diǎn)2m，分別觀測(cè)錨索和錨桿共同圍巖范圍的頂板離層情況。

3.3 錨桿受力監(jiān)測(cè)

測(cè)試采用托板壓力計(jì)進(jìn)行，壓力計(jì)安裝在錨桿托盤和外錨頭的螺母之間，然后緊固螺母，對(duì)錨桿施加一定的應(yīng)力。

3.4 錨桿錨固力監(jiān)測(cè)

采用多功能錨桿拉拔儀進(jìn)行拉拔測(cè)試。

3.5 錨桿安裝應(yīng)力監(jiān)測(cè)

采用安裝應(yīng)力測(cè)試表進(jìn)行監(jiān)察，同時(shí)采用扭矩扳手進(jìn)行監(jiān)察，得到二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.6 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析：原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，錨桿、錨索受力趨勢(shì)見圖3。

可以看出：頂板和兩幫錨桿索所觀測(cè)到的載荷遠(yuǎn)小于錨桿的讓壓點(diǎn)和錨桿的強(qiáng)度，只有右?guī)偷纳源?，達(dá)到16.3 t，這與現(xiàn)場(chǎng)讓壓管沒發(fā)生變形的實(shí)際是一致的。這說明，通過均壓技術(shù)使巷道壓力均壓的分布到所有的錨桿索體上，從而避免了個(gè)別錨桿索體受力過大。

掘進(jìn)期間成巷后的前15 d水平變形量較大，最大為13mm/天，15 d天后，變形趨于穩(wěn)定，為4～8mm/天，總水平變形量為150～250mm；巷道垂直變形量自巷道成形后頂板下沉量15d為8 mm，20 d后為10mm，穩(wěn)定后頂板總下沉量為30mm，施工半年后底臌量為200～400mm，均屬于正常變形量，實(shí)現(xiàn)了一次成巷。而類似巷道在施工三個(gè)月后，頂板下沉量為200～300mm，水平位移量為500～800mm，底膨量為40～700mm，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，必須架棚進(jìn)行二次支護(hù)。

圖 3 錨桿、錨索受力

圖 4 巷道變形量觀測(cè)數(shù)據(jù)

總之，該支護(hù)方式使巷道圍巖快速穩(wěn)定，合理發(fā)揮了所有錨桿索共同支護(hù)作用，巷道變形得到有效控制，完全滿足安全生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

在同等條件下，錨桿均壓支護(hù)方式有效地提高了錨桿利用效率，起到“錨桿錨索團(tuán)結(jié)力量大”的作用，大大延長(zhǎng)了巷道支護(hù)周期。

[1]孫曉明，楊軍，郭志飚.深部軟巖巷道耦合支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤礦支護(hù)，2009（1）：17-22.

[2]劉海波，劉玉麗，林大超，苗勝軍.巷道耦合支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）：183-184.

[3]楊張杰.復(fù)合頂板錨梁網(wǎng)支護(hù)沿空掘巷圍巖變形特征及其控制技術(shù)[J].煤炭工程，2009（9）：34-36.

[4]康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009（09）.

[5]康紅普，王金華，林健.煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（04）.

TD353

A

1671-0037（2014）03-70-2

李軍壘（1977-），男，本科，助理工程師，副主任。研究方向：煤炭技術(shù)管理。