煤礦綜放回采巷道錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

趙明亮

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽礦，山西 孝義 032306)

1 煤礦情況概述

某煤礦綜放面主采3下煤層，主要沿著煤層底板掘進(jìn)，地面標(biāo)高約為+35 m，巷道標(biāo)高約為-220 m，巷道埋深為250 m。其煤層柱狀圖，如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

通過分析地質(zhì)資料可知，3下煤層沉積較為穩(wěn)定，平均厚度為5.93 m，平均傾角為5°，煤層的抗壓強(qiáng)度約為2 kPa。煤層整齊的力學(xué)性質(zhì)較高，且強(qiáng)度較高，屬于簡(jiǎn)單的煤層結(jié)構(gòu)，中間為塊狀，粉砂巖，厚度約為3.2 m。煤層老頂為中砂巖，厚度約為14 m，屬于高角度裂隙發(fā)育。煤層直接底為黏土巖，遇水易膨脹變軟，厚度約在0.28 m～2.69 m。老底為粉細(xì)砂巖，厚度約為13.2 m。此煤礦3下煤層頂?shù)装宓木唧w巖石力學(xué)性質(zhì)，如第170頁表1所示。

2 錨桿支護(hù)原理及作用

2.1 錨桿支護(hù)原理

錨桿屬于一種加固支護(hù)方式，主要被用于邊坡、巖土深基坑等地表與隧道工程中，在制作桿柱時(shí)主要采用金屬、聚合物或木件等材料，在地表巖體與周圍巖體預(yù)先打好的孔中鉆入，將圍巖與穩(wěn)定巖體結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生補(bǔ)強(qiáng)、組合梁、懸吊等效果，達(dá)到有效支護(hù)的目的。錨桿支護(hù)方法成本較低、操作簡(jiǎn)便且占用施工凈空較少。同時(shí)，其可以通過麻桿軸向作用力確保圍巖應(yīng)力狀態(tài)由單向受壓變?yōu)槿蚴軌?，在承受自身質(zhì)量的同時(shí)也可以承受外部載荷，提升了環(huán)向抗壓強(qiáng)度，有效控制了圍巖的變形問題。

2.2 巷道支護(hù)中錨桿支護(hù)的作用

組合梁理論、組合拱理論以及懸吊理論等均屬于傳統(tǒng)錨桿支護(hù)的理論基礎(chǔ)，且這些理論針對(duì)了不同的圍巖條件，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在綜放回采工程中得到了廣泛使用。但這些理論也存在一定的局限性，無法適用各種巷道條件。當(dāng)前煤礦綜放回采巷道中主要利用了三高一低支護(hù)理念，高可靠性、高強(qiáng)度、高剛度以及低支護(hù)密度。其具體作用機(jī)理如下。

一是錨桿支護(hù)主要確保圍巖保持受壓狀態(tài)，避免圍巖出現(xiàn)剪切、彎曲變形以及拉伸等問題，有效控制錨固區(qū)圍巖滑動(dòng)、離層、裂紋產(chǎn)生以及裂隙張開等變形破壞問題，最大限度的確保圍巖的完整性，降低圍巖強(qiáng)度，確保錨桿圍巖的完整性，使圍巖成為承載力主體[1]。同時(shí)，還可以在錨固區(qū)周圍形成較大的承載結(jié)構(gòu)，在改善圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)的同時(shí)阻止錨固外巖層發(fā)生離析問題，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。錨桿支護(hù)可以有效解決圍巖彈性變形以及擴(kuò)容變形等問題，對(duì)巖石彈性變形之前的塑性變形控制作用并不明顯。二是錨桿支護(hù)剛度較為重要，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散直接決定著其剛度。對(duì)此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際的巷道條件確定合理的預(yù)應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散支護(hù)。單根錨桿預(yù)應(yīng)力作用有限，為了使預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散至更遠(yuǎn)圍巖中，必須安裝金屬網(wǎng)、鋼帶以及托板等構(gòu)件。在巷道表面很小的支護(hù)力也可以有效抑制圍巖變形問題，由此看出，預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中的護(hù)表構(gòu)件具備十分重要的作用。三是錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界剛度，錨固區(qū)不產(chǎn)生離層與應(yīng)力區(qū)所需的支護(hù)剛度。當(dāng)支護(hù)剛度小于臨界剛度時(shí)，圍巖處于變形狀態(tài)，不穩(wěn)定；反之，支護(hù)剛度達(dá)到臨界剛度時(shí)，可以有效抑制圍巖變形問題，確保巷道長(zhǎng)期屬于穩(wěn)定狀態(tài)。由此看出，錨桿預(yù)應(yīng)力受支護(hù)剛度的影響，當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，錨桿受力不會(huì)產(chǎn)生明顯變化，且可以有效抑制圍巖變形問題。四是錨索具備兩方面作用，一是可以連接錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖，提升了承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使其可以共同承擔(dān)巖體；二是可以為錨索施加更大的預(yù)緊力，并與錨桿形成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在主動(dòng)支護(hù)圍巖的基礎(chǔ)上為圍巖提供壓應(yīng)力，確保其完整性。五是可以提升錨桿與錨索的預(yù)應(yīng)力，改善巷道支護(hù)效果。對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的巷道，應(yīng)使用強(qiáng)力錨桿與高預(yù)應(yīng)力組合支護(hù)方法，通過一次性支護(hù)控制圍巖變形問題，避免巷道維修。

表1 頂?shù)装逯饕獛r石力學(xué)性質(zhì)

3 綜放回采巷道錨桿支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)煤礦綜放回采巷道的結(jié)構(gòu)特性，技術(shù)人員應(yīng)針對(duì)回采巷道存在的錨桿支護(hù)問題采取有效解決措施。

3.1 合理確定錨桿預(yù)緊力

在安裝錨桿時(shí)需要施加一定的預(yù)緊力，從而確保錨桿成為主動(dòng)型支護(hù)方式，在提升錨桿錨固效果的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)回采巷道錨固結(jié)構(gòu)的高阻讓壓。結(jié)合當(dāng)前煤礦回采巷道圍巖條件、錨桿以及鉆機(jī)等情況，技術(shù)人員應(yīng)為錨桿施加10 kv～15 kv的預(yù)應(yīng)力。

3.2 合理確定錨桿支護(hù)強(qiáng)度

錨桿及其錨固范圍內(nèi)的圍巖強(qiáng)度直接決定著錨桿與錨固范圍圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，強(qiáng)度強(qiáng)化效果越大，巷道越穩(wěn)定。由此看出，錨桿的支護(hù)強(qiáng)度決定著綜放回采巷道的穩(wěn)定性。由當(dāng)前煤礦條件，綜放回采巷道錨桿支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)保持在0.2 MPa，技術(shù)人員應(yīng)通過加強(qiáng)支護(hù)措施與施加錨桿支護(hù)體系實(shí)現(xiàn)。

4 綜放回采巷道錨桿支護(hù)方案

4.1 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法

在對(duì)此煤礦綜放回采巷道錨固支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用以計(jì)算機(jī)模擬為基礎(chǔ)的錨桿支護(hù)體系，引用美國(guó)大型巖土計(jì)算程序有限差分軟件完成計(jì)算，在模擬錨桿支護(hù)參數(shù)、支護(hù)條件以及掘進(jìn)巷道變形問題的基礎(chǔ)上，優(yōu)選方案。將設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)以及信息反饋?zhàn)顬橄到y(tǒng)工程，設(shè)計(jì)此煤礦綜放回采巷道的錨固支護(hù)方案[2]。

4.2 錨桿支護(hù)方案

計(jì)算數(shù)值并根據(jù)相關(guān)理論分析，技術(shù)人員明確綜放回采巷道的錨桿支護(hù)方案。一是巷道應(yīng)保持為矩形斷面，沿空尺寸保持為：寬×高為4.6 m×3.0 m；實(shí)體尺寸：寬×高為4.2 m×2.9 m。二是沿空挖掘時(shí)窄煤柱尺寸為4.0 m。三是做好錨桿的布置工作，左幫/頂板/右?guī)?353。四是應(yīng)選擇高強(qiáng)度錨桿，使用無縱筋左旋全螺紋桿體，頂板尺寸為18 mm×2 400 mm；兩幫為18 mm×2 000 mm。五是兩幫錨桿與綜放回采巷道應(yīng)采用加長(zhǎng)錨固方法，使用規(guī)格為Z2335的樹脂藥卷二卷，長(zhǎng)度為700 mm。六是頂板應(yīng)采用兩排小孔徑錨索實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)支護(hù)，兩排錨索距巷道兩幫為800 mm。取長(zhǎng)度為6.4 m的鋼絞線，并配合使用配套的鎖具、0.4 m長(zhǎng)度的槽鋼以及托板各一個(gè)，三支Z2335的樹脂藥卷錨固。應(yīng)每四排錨桿安裝一套錨索，保持間距為3.6 m。七是支護(hù)方面采用其他輔助措施，在頂板與巷道兩幫鋪設(shè)鋼筋梯子梁與金屬網(wǎng)。八是錨桿排距設(shè)計(jì)為900 mm。

5 煤礦綜放回采巷道的支護(hù)效果

在掘進(jìn)煤礦綜放回采工作面試，技術(shù)人員應(yīng)確保圍巖移近量保持在50 mm范圍內(nèi)。且采用兩巷超前支撐壓力的影響范圍保持在40 m內(nèi)，實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，實(shí)體煤礦巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?1.5 m，最大移近速度為12 mm/d，超前10 m范圍內(nèi)巷道出現(xiàn)明顯變形。同時(shí)，巷道兩幫最大移近量為35 mm，最大移近速度為14 mm/d。

在檢測(cè)圍巖實(shí)際壓力情況時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)采用液壓枕觀測(cè)方法。實(shí)際測(cè)量可知，在掘進(jìn)巷道時(shí)，煤礦巷道錨桿受力明顯變小，保持在2 MPa～3 MPa之間。此時(shí)留窄煤柱巷道的兩幫受力變大，錨桿受力較為明顯。在實(shí)際掘進(jìn)過程中，液壓枕最大讀數(shù)為9 MPa，平均讀數(shù)在5 MPa～6 MPa。受采動(dòng)因素的影響，液壓枕的實(shí)際讀數(shù)并未發(fā)生改變，但比較實(shí)體巷道，其變形較為嚴(yán)重，除此之外，受采動(dòng)因素的影響，煤礦回采巷道不需要進(jìn)行維修，這表明巷道錨桿的支護(hù)參數(shù)有效合理。

6 結(jié)語

綜放面回采巷道采用了高強(qiáng)度的螺紋鋼樹脂錨固錨桿，斷面可以滿足安全生產(chǎn)要求，且巷道無需維修，確保了綜采面快速安全掘進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)煤礦高效開采創(chuàng)造了有利條件。由此看出，在煤礦綜放回采過程中使用合理的錨桿支護(hù)方案，可以有效保證巷道的安全正常使用，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。