煤礦預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)

趙海平

摘要：本文在介紹預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例，較全面地論述了我國(guó)煤礦預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的主要研究成果和最新進(jìn)展，對(duì)臨界支護(hù)強(qiáng)度、臨界錨固長(zhǎng)度、錨固力設(shè)計(jì)、錨桿（錨索）的類(lèi)型及適應(yīng)性、監(jiān)測(cè)技術(shù)與安全評(píng)價(jià)等預(yù)應(yīng)力錨固的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：煤礦；預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)；臨界錨固；進(jìn)展；關(guān)鍵技術(shù)

一、煤礦預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)現(xiàn)狀

從支護(hù)材料上來(lái)看，煤礦預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)已經(jīng)全面開(kāi)始升級(jí)，尤其是在深井巷道維護(hù)中，直徑21.8 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線錨索已經(jīng)完全代替了直徑15.24 mm和17.8 mm的鋼絞線錨索。從錨固方式上來(lái)看，隨著樹(shù)脂藥卷的推廣，錨固方式已經(jīng)由全長(zhǎng)錨固、端錨已經(jīng)基本完全過(guò)渡為加長(zhǎng)錨。從服務(wù)時(shí)間上來(lái)看，煤礦的開(kāi)拓類(lèi)巷道的服務(wù)年限較長(zhǎng)，甚至與整個(gè)礦井的服務(wù)年限相同，但對(duì)于回采巷道而言，其服務(wù)時(shí)間較短，一般不超過(guò)4a；但由于此類(lèi)巷道需要承受支承壓力的動(dòng)壓作用，極易造成錨固失效，所以設(shè)計(jì)時(shí)的安全系數(shù)必須取大值。

二、煤礦預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

（一）深井回采巷道

隨著開(kāi)采向深部發(fā)展，巷道圍巖的工程現(xiàn)象和礦壓顯現(xiàn)也隨之趨向復(fù)雜和惡化，特別是處于膨脹性巖體、泥質(zhì)巖體遇水泥化等復(fù)雜條件下的巷道，礦井軟巖變形強(qiáng)烈，支護(hù)難度大，一方面是由于絕對(duì)深度增大，地壓升高造成的，更多是由于軟、破圍巖條件、采動(dòng)影響、支護(hù)效能差及強(qiáng)度偏低等綜合作用的結(jié)果。深部開(kāi)采中巷道圍巖控制難度增加不僅使礦井生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響：巷道施工困難、持續(xù)變形、反復(fù)維護(hù)、維修成本甚至超出新掘巷道，制約了整個(gè)礦區(qū)的煤炭生產(chǎn)，而且還帶來(lái)相當(dāng)嚴(yán)重的安全隱患，頂板事故在煤礦事故中占近40%，在深部巷道中尤為突出。

預(yù)應(yīng)力錨桿作為一種有效的支護(hù)手段，其最大的特點(diǎn)就是盡可能少的擾動(dòng)被錨固的巖體，并通過(guò)錨固措施合理地提高可利用巖體的強(qiáng)度，并且能在應(yīng)力劇烈變化影響下保持穩(wěn)定的錨固力。所以預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)是最為高效和經(jīng)濟(jì)的加固技術(shù)，得到了采礦業(yè)的高度重視，在大采高強(qiáng)動(dòng)壓巷道中得到了迅速的發(fā)展。以“三高”錨桿為依托的現(xiàn)代錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理念，通過(guò)優(yōu)化巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、強(qiáng)化錨桿支護(hù)承載性能、強(qiáng)化破裂圍巖體強(qiáng)度、強(qiáng)化圍巖承載結(jié)構(gòu)極大的提高了圍巖的穩(wěn)定性。并且在保證了支護(hù)效果的前提下，顯著提高了巷道掘進(jìn)速度與工效。

（二）大斷面的巷道、切眼、硐室

馬頭門(mén)是立井井筒通向井下平巷的咽喉，是礦井設(shè)計(jì)中支護(hù)最為困難的地方之一，近年來(lái)馬頭門(mén)破壞事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)，造成了人員傷亡和大量的經(jīng)濟(jì)損失。造成馬頭門(mén)區(qū)域失穩(wěn)破壞的原因是多方面的，而關(guān)鍵因素在于馬頭門(mén)區(qū)域的支護(hù)技術(shù)。馬頭門(mén)方向的變形位移在遇到馬頭門(mén)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)就轉(zhuǎn)化為作用于結(jié)構(gòu)上的荷載。當(dāng)馬頭門(mén)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足時(shí)，首先就引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。使支護(hù)對(duì)圍巖的抗力減小甚至喪失，加速了圍巖變形，從而造成剛性連結(jié)結(jié)構(gòu)和井壁連鎖破壞。馬頭門(mén)后期重復(fù)維護(hù)一方面極易破壞井筒與硐室連接處巖體強(qiáng)度，造成井壁脫落，另一方面很影響正常生產(chǎn)。因此對(duì)待馬頭門(mén)支護(hù)要有足夠的支護(hù)強(qiáng)度。

馬頭門(mén)附近采用全斷面錨索方式加固，以錨索梁或桁架錨索的形式進(jìn)行加固，配合注漿、充填噴漿以及澆筑鋼筋砼，采用錨網(wǎng)噴注耦合組合支護(hù)方式的有效途徑。通過(guò)合理設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，圍巖穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，經(jīng)實(shí)踐觀測(cè)硐室左右?guī)蛢?nèi)移量、頂板下沉量、底鼓量都在容許變形范圍之內(nèi)，且都已穩(wěn)定。

（三）沿空掘巷巷道

綜放沿空巷道大多采用錨、索、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。實(shí)踐證明，綜放沿空錨桿支護(hù)巷道時(shí)尤其對(duì)于巷道頂板來(lái)說(shuō)，受采動(dòng)影響，煤礦小煤柱沿空巷道圍巖必將發(fā)生大變形礦壓顯現(xiàn)，如其采用的是錨桿支護(hù)，則錨桿可能會(huì)承受較大的剪切變形，因而可能失去錨桿應(yīng)承受拉伸應(yīng)力的最佳作用功能，錨桿變形已不再是簡(jiǎn)單的拉伸狀態(tài)，而是拉、剪、彎組合變形狀態(tài)，這種剪切變形而引起的剪切應(yīng)力可能接近或超過(guò)錨桿的許用剪切應(yīng)力。如果支護(hù)方位參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，錨桿可能會(huì)受顯著剪切力作用，甚至可能會(huì)發(fā)生剪切斷裂，因而失去錨桿原有的拉緊支護(hù)功能。在這類(lèi)巷道的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該合理選擇錨桿支護(hù)的方向，尤其是頂部錨桿的支護(hù)方向，避免錨桿發(fā)生剪切破斷，盡量發(fā)揮錨桿的最大支護(hù)效能。

（四）無(wú)煤柱煤與瓦斯共采巷道的維控

采用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的回采巷道尤其適用于綜合機(jī)械化開(kāi)采的快速推進(jìn)，架棚支護(hù)的巷道必須提前將棚式支護(hù)的頂梁及至少回采側(cè)的棚退替換掉，否則回采時(shí)采煤機(jī)難以進(jìn)行截割工作，而替棚工作會(huì)增額外的重體力工作量并存在安全隱患。

三、煤礦預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)展望

（一）支護(hù)材料的規(guī)格和力學(xué)性能全面升級(jí)：錨桿可采用屈服強(qiáng)度大于800MPa的超高強(qiáng)5級(jí)鋼材熱軋帶肋無(wú)縱筋螺紋鋼；錨索可采用直徑27.8mm，屈服強(qiáng)度1860MPa型高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。

（二）隨著深部軟巖支護(hù)難度的進(jìn)一步增加，對(duì)工作錨固力提出更高的要求，從錨固結(jié)構(gòu)來(lái)看，要求錨固結(jié)構(gòu)單孔單一構(gòu)件向單孔多構(gòu)件轉(zhuǎn)變，即錨索束等。為了更好的支護(hù)效果，可以采用主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合的方式，如先錨桿后架棚的高阻讓壓支護(hù)技術(shù)，或先架棚后錨固的施工安全技術(shù)，或噴漿、錨固、架棚、滯后注漿多工序的聯(lián)合支護(hù)方法，經(jīng)濟(jì)有效。

（三）施工機(jī)具進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化，針對(duì)底板鑿孔施工難的特點(diǎn)，需研制推廣特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)機(jī)。采用大推力機(jī)具，強(qiáng)功率預(yù)緊機(jī)具，高強(qiáng)護(hù)表構(gòu)件等提高錨固施工效果。

（四）實(shí)現(xiàn)頂板實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并與物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頂板動(dòng)態(tài)管理，保證生產(chǎn)安全。

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