采煤掘進(jìn)作業(yè)下高強(qiáng)度錨索支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究

郭志強(qiáng)

（山西宏廈第一建設(shè)有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

使用錨索對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，錨索的可支撐能力高，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)的深度較大，而且可以施加較強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力，其支護(hù)效果比較好，該支護(hù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中非常廣泛，特別是對(duì)一些大型的井下硐室、易發(fā)生破碎的巷道、以及受圍巖應(yīng)力影響較大的巷道通常會(huì)采用此種支護(hù)方式，且支護(hù)的效果往往能達(dá)到預(yù)期。本文所研究的礦區(qū)早在21世紀(jì)以前就開始大力推行錨桿支護(hù)技術(shù)，并在該礦區(qū)內(nèi)的煤礦中得到了成功的應(yīng)用。但是近年來，煤礦開采的深度越來越大，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，這使得煤礦巷道的支護(hù)越來越困難，多個(gè)煤礦出現(xiàn)了圍巖變形程度大、支護(hù)困難等問題，因此該礦區(qū)對(duì)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，將煤礦巷道頂板的錨桿換成了錨索，支護(hù)效果也得到了明顯的改善，但是在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)仍然存在一些問題，比如巷道兩幫的變形程度依然比較大，且錨索的直徑較小，不能滿足預(yù)應(yīng)力以及強(qiáng)度的要求等[1]。

1 礦井概況

在該礦區(qū)內(nèi)所進(jìn)行研究的采煤工作面是沿著煤層底板進(jìn)行開掘的，其埋藏深度為550 m，工作面的斷面形狀為矩形，其高度為7.8 m，寬度為3.2 m，同時(shí)所開采煤層的平均厚度為5.35 m，煤層為緩傾斜煤層，工作面的直接頂和偽頂均由泥巖組成，直接頂中還含有少量的細(xì)砂巖。在對(duì)該礦井進(jìn)行開采時(shí)，由于該礦的埋藏深度大，在井田內(nèi)存在較多復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，比如斷層、褶曲、陷落柱等。在相鄰煤層進(jìn)行開切眼的過程中，圍巖松軟，易破碎，造成較大的變形，在切眼內(nèi)部必須安設(shè)三排支柱才能控制頂板的下沉，這對(duì)工作面的正常開采造成了極大的影響。

2 高強(qiáng)度錨索支護(hù)方案設(shè)計(jì)步驟

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)礦井的地質(zhì)條件以及開切眼的圍巖應(yīng)力條件，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件建立了以下的數(shù)值模型，如圖1所示。在該模型中，為了清楚的反映錨桿與錨索所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)的情況，需要在應(yīng)力場(chǎng)以及巷道兩幫錨桿支護(hù)參數(shù)一定的情況下，對(duì)不同錨索的預(yù)應(yīng)力、長(zhǎng)度以及錨固角度等的應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行模擬[2]。

圖1 三維模型網(wǎng)格圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

下頁中圖2—圖4是不同情況下的錨索應(yīng)力場(chǎng)分布情況。根據(jù)模擬結(jié)果可知，下頁圖2顯示的是100 kN、200 kN、300 kN預(yù)應(yīng)力情況下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布，從圖中可以看出，當(dāng)錨索的預(yù)應(yīng)力越來越大時(shí)，圍巖內(nèi)部所產(chǎn)生的壓應(yīng)力也會(huì)越來越大，與此同時(shí)擴(kuò)散的效果越來越清晰。下頁圖3顯示的是不同錨索長(zhǎng)度下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布情況，從圖中可以看出，當(dāng)錨索的直徑與預(yù)應(yīng)力相同時(shí)，錨索的長(zhǎng)度越短，所形成的應(yīng)力場(chǎng)越為理想。但是根據(jù)礦井的實(shí)際情況來說，當(dāng)錨索的長(zhǎng)度為8 m時(shí)，錨索的錨固效果最好。下頁圖4顯示的是不同布置角度下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，可以看出，當(dāng)錨索與頂板垂直時(shí)，所形成的壓應(yīng)力的效果最明顯；而當(dāng)布置角度增大時(shí)，應(yīng)力疊加的效果反而變差。

2.3 支護(hù)方案的確定

圖2 不同錨索預(yù)應(yīng)力情況下所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)

圖3 不同長(zhǎng)度的錨索所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)

圖4 不同布置角度下錨索所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)

由先前已有的經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)值模擬的結(jié)果可知，在進(jìn)行該礦井的支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的是錨索與錨桿聯(lián)合支護(hù)的方式，其錨桿選擇的是樹脂加長(zhǎng)型強(qiáng)力錨桿。煤層的頂板以及巷道兩側(cè)選擇的是螺紋鋼筋，其型號(hào)為BHRB600，鋼筋直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2.4 m。而在進(jìn)行護(hù)幫以及護(hù)頂設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是鋼帶和金屬網(wǎng)，鋼帶的厚度為4 mm。巷道不同位置處的錨桿間距不同，頂板處的錨桿相隔0.9 m布置，而采空區(qū)兩側(cè)的錨桿相隔0.85 m布置。煤層頂板的錨索選擇的是1×19結(jié)構(gòu)，直徑為22mm，長(zhǎng)度為8.3m，錨索的預(yù)應(yīng)力為200～250 kN。開切眼內(nèi)側(cè)則采用直徑為20 mm的玻璃鋼錨桿，錨桿的長(zhǎng)度為2 m。在進(jìn)行錨桿布置時(shí)，每排錨桿之間的距離為1 m，同時(shí)每排布置3根錨桿，間隔1 m[3-4]。

3 高強(qiáng)度錨索支護(hù)施工工藝

3.1 頂板錨桿施工工藝

在進(jìn)行頂板錨桿支護(hù)作業(yè)時(shí)，應(yīng)從中部向兩側(cè)施工，每掘進(jìn)一個(gè)排距時(shí)，安裝一排錨桿，盡可能使頂板錨桿與兩幫錨桿平行作業(yè)。

1）根據(jù)礦井要求設(shè)計(jì)對(duì)巷道斷面進(jìn)行施工，然后在巷道內(nèi)鋪設(shè)頂網(wǎng)以及鋼帶。

2）使用單體錨桿鉆機(jī)，在巷道頂板處打孔，孔深為錨桿的錨固長(zhǎng)度，向孔內(nèi)放置樹脂藥卷，然后用錨桿將其送入孔底。

3）用連接器把鉆機(jī)與錨桿連接起來，使鉆機(jī)開始攪拌并不斷向前推進(jìn)大約20～30 s后，停止鉆機(jī)，等樹脂藥卷固化后，繼續(xù)啟動(dòng)鉆機(jī)，擰緊螺母。

3.2 巷道兩幫錨桿施工工藝

1）首先對(duì)巷道兩幫的煤壁進(jìn)行清理，使巷道的斷面積達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后確定錨桿的孔位置。

2）在進(jìn)行錨桿施工時(shí)，先布置上部錨桿，使用電鉆對(duì)巷道的上部幫進(jìn)行打孔，孔深為錨桿的錨固長(zhǎng)度，進(jìn)而裝入樹脂藥卷，然后用錨桿將其送入孔底。放好樹脂藥卷后，在電鉆上安裝攪拌頭，啟動(dòng)電鉆，將錨桿的頂部送入孔底，持續(xù)時(shí)間為20～30 s。

3）最后鋪設(shè)護(hù)幫網(wǎng)，上緊螺母。

3.3 錨索施工工藝

1）按照施工要求，將鋼絞線截取成設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度，保持鋼絞線上無鐵銹和污泥，并在錨固的一端安裝毛刺和檔圈。

2）使用單體錨桿鉆機(jī)進(jìn)行打孔至設(shè)計(jì)深度，但要注意在打孔過程中，應(yīng)盡量保持鉆機(jī)不動(dòng)，以免鉆孔方向不與巷道垂直，增加錨索安裝的難度。

3）打孔完成后，在孔內(nèi)放入樹脂藥卷，使用鋼絞線將藥卷送入孔底，然后啟動(dòng)鉆機(jī)，知道將藥卷送入孔底[5]。

4）待樹脂錨固劑固化后，安裝托梁、托盤、鎖具等，鎖緊后，在錨索上掛張拉千斤頂，對(duì)錨索的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，重復(fù)千斤頂?shù)膹埨ぷ?，直到錨索達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力。卸下千斤頂，錨索安裝完成。

4 高強(qiáng)度錨索支護(hù)效果分析

在支護(hù)作業(yè)和施工結(jié)束后，對(duì)開切眼周圍的圍巖位移量以及受力情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)監(jiān)控，圖5顯示了大斷面工作面開切眼附近的圍巖位移情況。從圖中可以看出，巷道兩幫的圍巖變形程度不大，位移量較小。具體的圍巖位移情況如表1所示。

圖5 大斷面工作面開切眼附近的圍巖位移曲線

表1 圍巖位移情況

對(duì)于錨桿預(yù)應(yīng)力來說，在支護(hù)結(jié)束時(shí)，頂板錨桿的預(yù)應(yīng)力為73 kN，而隨著開采工作的進(jìn)行，錨桿所受到的壓力不斷增大，直到上升到90 kN后就不再發(fā)生變化。但是在進(jìn)行二次采掘時(shí)，錨桿的受力就會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)錨桿所受到的預(yù)應(yīng)力會(huì)迅速增加到140 kN后又保持穩(wěn)定。因此當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力為80～100 kN時(shí)是比較合理的，滿足支護(hù)的要求。

錨索預(yù)應(yīng)力的最大值為420 kN，雖然隨著采掘工作的進(jìn)行，錨索的預(yù)應(yīng)力還會(huì)有所增加，但是增加的幅度比較小，此時(shí)錨索可以起到很好的支護(hù)作用，巷道的變形程度也比較小。因此，當(dāng)錨索的預(yù)應(yīng)力較高、錨索強(qiáng)度較大時(shí)，支護(hù)作用更好[6]。

5 結(jié)論

1）高強(qiáng)度的錨索支護(hù)的支護(hù)作用不僅僅是由于懸吊形成的，更多的是與錨索產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)錨索與錨桿共同作用時(shí)，會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)，有效地控制了圍巖及巷道的變形，使圍巖和巷道可以保持良好的穩(wěn)定性。通過實(shí)踐表明：當(dāng)錨索的直徑為18～22 mm時(shí)，錨索的長(zhǎng)度越大，預(yù)應(yīng)力就越大，而在預(yù)應(yīng)力較高的情況下，錨索的長(zhǎng)度較短時(shí)支護(hù)的作用更好，因此錨索的長(zhǎng)度一般選擇在4～6m。

2）錨索的布置以及支護(hù)密度應(yīng)該在考慮錨索預(yù)應(yīng)力、長(zhǎng)度、強(qiáng)度以及直徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3）在高預(yù)應(yīng)力以及高強(qiáng)度的情況下，大斷面工作面附近的巷道受圍巖應(yīng)力的影響較小，可以很好地對(duì)圍巖的變形進(jìn)行控制，保證支護(hù)的效果以及采掘作業(yè)的安全性。