煤巷錨桿錨索支護匹配失效分析及控制對策

梁建軍

(潞安礦業(yè)集團公司 安監(jiān)局，山西 長治 046204)

錨桿錨索聯(lián)合支護是實現(xiàn)煤巷快速支護的唯一經(jīng)濟、有效的形式[1-6]。錨桿錨索聯(lián)合支護技術(shù)的應用，解決了煤巷支護的難題，實現(xiàn)了松軟煤層大斷面巷道的可靠支護，為礦井設(shè)備的大型化提供了空間，為礦井的高產(chǎn)高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。近年來，錨桿錨索聯(lián)合支護的普及率逐年提升，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全煤系統(tǒng)錨桿錨索聯(lián)合支護技術(shù)的應用比例已經(jīng)達到了80%以上。

但是，錨桿錨索聯(lián)合支護技術(shù)在應用過程中也出現(xiàn)了一些問題，如巷幫錨桿、錨索破斷現(xiàn)象時常出現(xiàn)，甚至個別礦井發(fā)生過錨桿、錨索破斷傷人的事故。分析事故原因，發(fā)現(xiàn)錨桿、錨索二者預緊力不匹配是其中一個因子[7-14]。因此，研究錨桿錨索相互作用機理，實現(xiàn)錨桿和錨索支護的匹配，從而確定合理的支護參數(shù)和施工工藝，對于提高煤巷成巷速度、實現(xiàn)礦井快速高效掘進至關(guān)重要。

1 事故案例

1.1 工程概況

2014年4月18日，某礦30211綜采工作面端尾發(fā)生一起錨索破斷傷人事故。該工作面屬孤島工作面，回采期間經(jīng)歷兩側(cè)采空區(qū)動壓影響，其平面布置如圖1所示。兩巷掘進期間初次支護采用錨桿錨索聯(lián)合支護形式，錨桿為335號螺紋鋼，直徑22 mm，頂錨桿長度2.4 m、幫錨桿長度2 m，間排距為0.9 m×0.9 m，初始預緊力矩100 N·m；頂板錨索規(guī)格為：直徑17.8 mm，長度5 m，初始預緊力100 kN。

圖1 30211綜采工作面平面布置示意

回采期間，兩巷因壓力大，巷道收縮嚴重，在巷幫補打了直徑17.8 mm、長度5 m的錨索控制變形，初始預緊力150 kN，控制兩幫變形效果顯著。但是，巷道底鼓現(xiàn)象依舊存在，需要拉底。

1.2 事故經(jīng)過

4月18日，拉底的兩人，一人拿洋鎬、一人拿鐵鍬交替作業(yè)，一人完畢，靠幫站著休息，突然他背后的一根幫錨索破斷射出，從身后射入身體，致其受傷，后經(jīng)搶救無效死亡。該錨索破斷射出段的長度1.8 m，破斷處有明顯的頸縮現(xiàn)象?，F(xiàn)場查看，破斷的幫錨索突破了鐵絲捆綁，未能起到防護作用。

1.3 原因分析

這是一起典型的錨桿、錨索支護參數(shù)不匹配、錨索防護措施不可靠造成的事故。掘進支護時，錨桿的預緊力偏低(100 N·m)，巷幫錨固體的支護能力處于較低水平，致使兩幫煤體在動壓作用下嚴重破碎，殘余支護能力大幅降低，而后期補打的幫錨索預緊力達到150 kN，承擔了大部分的支護載荷，并集聚了很大的彈性能，長期受載至達到破斷載荷時，錨索破斷并射出。

從這起事故，可以得出以下兩點：

1) 幫錨索破斷后射出的威力是很大的，能突破鐵絲的捆綁并射出傷人，而頂錨索破斷后仍能被捆綁的鐵絲防護住。所以，在水平應力較大的礦區(qū)，幫錨索的防護比頂錨索更為重要。

2) 錨桿、錨索支護參數(shù)的匹配很關(guān)鍵。錨桿和錨索二者的延伸率有差異，錨桿的延伸率能達到20%，而錨索的延伸率只有3.5%～7%，兩種延伸率差別很大的材料，用在同一條巷道的同一側(cè)幫，在圍巖發(fā)生變形破壞時，肯定是延伸率小的錨索承擔的載荷較大，也先破斷。所以說，錨桿與錨索兩種類型的支護材料同時應用時，相當于一種“柔性支護”與“剛性支護”的組合，錨桿和錨索受力不均衡，錨索承擔過多的載荷，造成錨索、錨桿被各個擊破。所以，錨索與錨桿支護的匹配是解決問題的根本所在。

2 錨桿與錨索支護參數(shù)匹配模擬分析

以該礦30211工作面回風巷為對象，回風巷斷面尺寸：寬×高=5.5 m×4.8 m，采用FLAC3D有限差分數(shù)值模擬軟件[15]建立模型，分析巷道某一側(cè)幫采用錨桿、錨索聯(lián)合支護時二者的匹配關(guān)系。其中，幫錨桿直徑22 mm，長度2.4 m，間排距為0.8 m×0.9 m；幫錨索直徑18.9 mm，長度5.3 m，間排距為1.6 m×1.8 m。

2.1 錨桿、錨索預緊力匹配方案

根據(jù)預緊力施加等級，將幫錨桿預緊力矩劃分為200、300和400 N·m 三個水平，幫錨索預緊力分別為150、200和250 kN 三個水平。按照正交試驗設(shè)計方法進行組合，得出表1所示的九種錨桿錨索預緊力匹配方案，并將每個方案賦于圖2所示的數(shù)值模型進行模擬。

表1 巷幫錨桿、錨索預緊力組合

圖2 巷幫錨桿錨索聯(lián)合支護數(shù)值模型

2.2 模擬結(jié)果分析

當錨桿預緊力矩依次為200、300和400 N·m，在不同錨索預緊力作用下巷道幫部應力場模擬結(jié)果如圖3-5所示。從圖中可以看出：

1) 錨桿、錨索預緊力聯(lián)合作用在巷幫圍巖表面及內(nèi)部附近形成了大小不等的壓應力區(qū)。幫錨桿預緊力產(chǎn)生的壓應力值一般在40～100 kPa，幫錨索預緊力產(chǎn)生的壓應力值一般在200～800 kPa。

圖3 200 N·m錨桿預緊力矩與不同錨索預緊力組合下巷幫圍巖應力場分布

2) 隨著預緊力的增加，錨桿、錨索形成的壓應力值和范圍也在不斷擴大，但當幫錨桿預緊力達到300 N·m、幫錨索預緊力達到200 kN后，再增加預緊力對壓應力值和范圍的增加效果不明顯。一方面，橫向比較圖4和圖5，二者的錨桿預緊力分別為300 N·m和400 N·m，但二者形成的應力值大小相差不大，都在100 KPa左右；另一方面，縱向比較圖5(b)和圖5(c)，在同一錨桿預緊力(400 N·m)下，錨索預緊力從200 kN增大到250 kN，壓應力作用范圍幾乎無變化。

圖4 300 N·m錨桿預緊力矩與不同錨索預緊力組合下巷幫圍巖應力場分布

3) 預緊力在巷幫淺部圍巖產(chǎn)生壓應力的同時，在深部(錨桿錨索端部附近)圍巖也出現(xiàn)了小范圍的拉應力區(qū)，且預緊力越大，拉應力的值和范圍越大；錨桿端部的拉應力區(qū)可以通過增加錨索的預緊力來進行平衡，錨索預緊力在150 kN時還不足以平衡錨桿端部的拉應力區(qū)，達到200 kN或以上時才能有效平衡拉應力區(qū)。

因此，綜合考慮匹配效果和施工難度，建議巷幫進行錨桿錨索聯(lián)合支護時，幫錨桿的預緊力矩設(shè)定在200～300 N·m之間，同時幫錨索的預緊力設(shè)定在200～250 kN之間，是比較合理的匹配方案。

3 錨桿錨索支護匹配對策及應用

錨桿和錨索相比較，錨索相當于“剛性支護”材料，而錨桿相當于“柔性支護”材料，兩種不同性質(zhì)的材料在同一礦壓作用條件下達到受力和變形的協(xié)調(diào)一致，是不可能的。而要使它們既保持著有效的支護作用，能夠適應礦壓作用下的受力和變形協(xié)調(diào)，又不至于被各個擊破而造成支護系統(tǒng)的失效，需要采取以下對策和措施：

1) 優(yōu)化錨索與錨桿的預緊力匹配關(guān)系。通過提高錨桿的預緊力矩并適當降低錨索的預緊力，使得錨桿和錨索的變形富余量接近，從而縮小剛性差別。

2) 優(yōu)化錨索與錨桿的長度關(guān)系。適當加長錨索的長度，縮小其承載時與錨桿的允許變形量差，使其在一定程度上達到協(xié)調(diào)變形。

3) 優(yōu)化錨索與錨桿的預緊時間差關(guān)系。通過適當滯后錨索的預緊時間，使得錨桿(巷道圍巖)達到一定的變化量后，再加載錨索，加大錨索的允許變形量，來與錨桿的變形協(xié)調(diào)匹配。

4) 優(yōu)化錨索與錨桿的支護密度關(guān)系。在提高錨桿預緊力矩的基礎(chǔ)上，適當提高錨索的支護密度，提高整個支護體系的支護剛度，來控制錨索的破斷。

圖5 400 N·m錨桿預緊力矩與不同錨索預緊力組合下巷幫圍巖應力場分布

根據(jù)以上原則，對30211工作面回風巷原支護參數(shù)進行了優(yōu)化、調(diào)整，設(shè)計了新支護參數(shù)，如表2所示。

表2 優(yōu)化后的支護參數(shù)

在30211回風巷的臨近巷道采用上述支護方案進行了施工，礦壓監(jiān)測結(jié)果顯示，頂板離層不超過10 mm，巷道斷面收斂率小于8.1%。說明優(yōu)化后的支護方案很好地控制住了圍巖變形，支護效果理想。

4 結(jié) 語

1) 巷幫錨桿錨索支護不匹配是造成高煤幫巷道支護失效的重要原因之一。錨桿的延伸率能達到20%，而錨索的延伸率只有3.5%～7%，兩種延伸率差別很大的材料，用在同一條巷道的同一側(cè)幫，在圍巖發(fā)生變形破壞時，延伸率小的錨索承擔的載荷較大，也先破斷，故錨索與錨桿支護匹配很關(guān)鍵。

2) 通過數(shù)值模擬，錨桿、錨索預緊力聯(lián)合作用在巷幫淺部圍巖形成了大小不等的壓應力區(qū)，隨著預緊力的增加，壓應力值和范圍也在不斷擴大，但當幫錨桿預緊力矩達到300 N·m、幫錨索預緊力達到200 kN后，再增加預緊力對壓應力值和范圍的增加效果不明顯。

3) 綜合考慮匹配效果和施工難度，建議巷幫進行錨桿錨索聯(lián)合支護時，錨桿的預緊力矩設(shè)定在200～300 N·m，同時錨索的預緊力設(shè)定在200～250 kN，是比較合理的匹配方案。