大直徑錨索在動壓巷道支護中的應(yīng)用

翁海龍

(神東煤炭集團保德煤礦，山西 忻州 036600)

0 引言

保德煤礦目前正在開采8#煤層，是井田內(nèi)第一層厚度達標且穩(wěn)定的可采煤層。8#煤層頂板節(jié)理、層理較為發(fā)育，為破碎煤巖互層復(fù)合頂板。煤巖層總體近南北走向，呈向西傾斜的單斜構(gòu)造，煤層傾角為3°～6°，平均為4°左右。

保德煤礦五盤區(qū)綜采工作面采用三巷布置，即為膠運順槽、一號回風(fēng)順槽、二號回風(fēng)順槽。工作面在回采過程中，一、二號回風(fēng)順槽，受相鄰回采工作面(上一個工作面)采動影響，巷道變形明顯，為確保受采動影響的巷道仍能安全服務(wù)本工作面，通過對受采動影響的巷道，采取二次幫頂錨索補強支護，來減小巷道變形，防止巷道片幫、冒頂?shù)仁鹿拾l(fā)生。

錨索應(yīng)于煤礦或其他礦山、井巷、圍巖加圈，礦井巷道按常規(guī)設(shè)計的錨桿支護形式及參數(shù)，往往不能有效的支護，造成錨桿支護的整體垮塌，帶來嚴重的后果。由于鋼絞線長度不受限制，可以將錨圈段錨圈在堅硬的頂板上，同時，因鋼絞線強度級別較高，可以提供較大的預(yù)應(yīng)力，使錨團段下部的復(fù)合頂板聯(lián)合一體，形成統(tǒng)一的剛性頂板、起到較好的支護效果。

礦用錨索結(jié)構(gòu)一般由錨頭、錨索體和外錨頭3部分共同組成。內(nèi)錨頭又稱錨固段或錨根，是錨索固在較穩(wěn)定煤、巖體內(nèi)提供預(yù)應(yīng)力的根基，按其結(jié)構(gòu)形式分為機械式和膠結(jié)式兩大類，膠結(jié)式又分為砂漿膠結(jié)和樹脂膠結(jié)兩類，砂漿式又分為二次灌漿和一次灌漿式。外錨頭又稱外錨固段，是錨索借以提供張拉噸位和鎖定的部位，其種類有錨塞式、螺紋式、鋼筋混凝土圓柱錨墩式、墩頭錨式和鋼構(gòu)架式等。保德煤礦使用的是錨索端部由樹脂膠結(jié)，外頭由張拉機具張緊鎖具固定。

81506一、二號回風(fēng)順槽，局部段受相鄰81505綜放面回采影響，頂部原支護與補強支護使用的1×7芯的φ21.6 mm錨索，在動壓巷道出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，使得巷道支護管理陷入非常被動的局面。采取有效措施，控制好動壓巷道變形，是實現(xiàn)綜放工作面安全生產(chǎn)必須解決的問題之一，對巷道支護具有一定的指導(dǎo)作用。

1 工程背景及支護情況

81505綜放工作面沿煤層傾斜布置走向推進，采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法開采，全部垮落法管理頂板。

81505工作面切眼全長240 m，走向長1 856 m。地面標高876.8～1 054.1 m，煤層底板標高620.1～682.5 m。81505工作面西為設(shè)計81506工作面，東為81504采空區(qū)，南為五盤區(qū)集中輔運大巷，北為未開發(fā)實體煤，如圖1所示。

圖1 81505綜放工作面平面布置示意圖

圖中左上角巷道位置所示，該段巷道受相鄰81505綜放工作面回采產(chǎn)生動壓影響，巷道變形明顯，二次補強支護的1×7芯的φ21.6錨索多根出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 錨索變形、破斷實物圖

2 破斷原因分析及應(yīng)對措施

2.1 現(xiàn)場錨索破斷調(diào)查及分析

81505綜放面在回采過程中，在滯后81505綜放面的相鄰81506一、二號進風(fēng)順槽300 m范圍內(nèi)壓力顯現(xiàn)強烈，采用原φ21.6 mm的7芯錨索進行補強支護，頂板下沉控制較差，下沉趨勢仍然較強烈，且出現(xiàn)錨索多根崩落現(xiàn)象。

錨索支護與巷道表面(巖層面)不垂直、錨索過長，預(yù)應(yīng)力不匹配、錨索強度不夠等現(xiàn)象，同時錨索在支護作用期間不是理想拉伸，桿體受拉、彎、剪與扭復(fù)合應(yīng)力時，桿體承受過高彎矩及彎曲應(yīng)力極易破斷。

為克服因回采工作面開采深度的增加，地質(zhì)構(gòu)造的變化，遇動壓影響而導(dǎo)致原支護失效，二次補強支護φ21.6 mm的7芯錨索效果不明顯，仍然有部分新支護錨索破斷崩落。通過對現(xiàn)場錨索破斷收集后分析，發(fā)現(xiàn)該段錨索破斷主要形式是斷口處多數(shù)在錨索距離鎖具≥500 mm位置，出現(xiàn)長短不一，呈劈裂狀，無明顯縮頸的現(xiàn)象，且破斷的位置深淺不一。部分淺部破斷錨索被崩落在巷道底板上，而深部破斷的錨索及錨索托盤則脫離巷道的頂板面。

通過現(xiàn)場考察和相關(guān)錨索破斷資料翻閱，國內(nèi)很多技術(shù)人員對錨索破斷也進行了一些研究和分析。如張占春等[1]提出適當(dāng)增大錨索強度、支護密度、施加恰當(dāng)?shù)念A(yù)緊力以及開發(fā)延伸率較大的新型高強度錨索解決錨索破斷問題；賈進亞等[2]提出斷層附件通過增加錨桿(索)直徑和長度，增加預(yù)緊力和支護強度來解決錨桿(索)破斷問題；高習(xí)海[3]提出在復(fù)合頂板巷道中出現(xiàn)破斷錨索現(xiàn)象主要原因是錨桿支護沒有得到發(fā)揮，巷道頂板載荷由錨索承擔(dān)，在沖擊壓力下錨索斷裂，需合理設(shè)計支護來解決破斷錨索問題。

2.2 應(yīng)對處理措施

保德煤礦動壓巷道出現(xiàn)的頂錨索破斷，可以由破斷錨索斷口和破斷錨索桿體觀察分析發(fā)現(xiàn)，巷道頂板各巖層錯動導(dǎo)致錨索在受較大拉應(yīng)力條件下，還同時受到各巖層錯動的剪切力，因巖層的剛度較小，不會出現(xiàn)對錨索的脆性剪切，而是相對柔軟的煤巖體對剛度較大的錨索進行軟剪切，表現(xiàn)形式就是錨索斷口附件呈彎曲和剪劈現(xiàn)象。

同時結(jié)合參考文獻經(jīng)驗[4-7]，礦內(nèi)采用大直徑(1×19芯的φ28.6)錨索進行補強支護。通過選擇高強度錨索，開展支護質(zhì)量現(xiàn)場提升檢查，來確保支護效果。比如：錨索安設(shè)與井巷輪廓線切線或與層理面、節(jié)理面裂隙面垂直，由于巖層傾角較大或其它原因不能垂直巖面布置錨索時，盡量保證角度偏差不大于15°、抗拔力和預(yù)應(yīng)力不小于設(shè)計值的90%、“三徑匹配”、施工工藝中樹脂藥卷攪拌與等待時間、打設(shè)深度和錨索外露長度等都要符合相關(guān)規(guī)定。通過一系列措施的執(zhí)行，很好的對受動壓影響的巷道進行了可靠的補強支護。

3 引用大直徑錨索后的效果對比

3.1 大直徑錨索介紹

此次選擇到的大直徑錨索規(guī)格為：1×19芯的φ28.6錨索，破斷載荷達到900 kN以上，而且延長率達到7%左右，是1×7芯結(jié)構(gòu)鋼絞線(同直徑)的2倍，如圖3所示。

圖3 錨索實物圖

同時還對1×7芯結(jié)構(gòu)錨索與1×19芯結(jié)構(gòu)錨索性能進行了列表對比，見表1。

表1 1×7芯與1×19芯錨索鋼絞線力學(xué)性能對比

3.2 支護效果對比

通過在81506一、二號回風(fēng)順槽13#-12#、12#-11#聯(lián)巷，設(shè)計兩種補強支護方案進行支護：方案一在81506一、二號回風(fēng)順槽13#-12#聯(lián)巷段，間隔開原有頂支護每米兩根φ21.6 mm×8 m錨索，在兩排錨桿之間補強3根φ21.6 mm×8 000 mm錨索，不采動幫側(cè)支護是間隔開原有每米3根φ20 mm×2 100 mm鋼筋錨桿，第一排以下300 mm，最下一排以上200 mm段，分別補強支護φ21.6 mm×5 m幫錨索；方案二在81506一、二號回風(fēng)順槽12#-11#聯(lián)巷段，間隔開原有頂支護每米兩根φ28.6 mm×8 m錨索，在兩排錨桿之間補強3根φ21.6 mm×8 000 mm錨索，不采動幫側(cè)支護是間隔開原有每米3根φ20 mm×2 100 mm鋼筋錨桿，第一排以下300 mm，最下一排以上200 mm段，分別補強支護φ21.6 mm×5 m幫錨索，如圖4所示。

通過試用高強度大直徑錨索(1×19芯φ28.6)在動壓巷道頂板的支護。方案一與方案二兩段巷道頂板變形控制對比明顯，方案一局部甚至發(fā)生冒頂，補強錨索仍有較多破斷崩落現(xiàn)象，頂板補強支護后，維持效果較差，變形控制不明顯；方案二僅原支護的頂錨索出現(xiàn)個別破斷崩落，頂板控制較好，只是底板臌起明顯比方案一明顯嚴重，可以推斷底板臌起釋放了部分壓力。同時也體現(xiàn)出大直徑錨索加大了對頂板巖層界面的正應(yīng)力和摩擦力，極大程度減輕了頂板巖層錯動，防止錨索在巖層面受到強烈剪切發(fā)生破斷崩落。對巷道頂板圍巖控制起到很好的效果。

3.3 觀測數(shù)據(jù)方案

在巷道頂板中部靠正幫0.5 m處，設(shè)置長2 m的垂點，以方便每次數(shù)據(jù)測量。將巷道頂板掛設(shè)的垂線引至距巷道底板2 cm，找出垂點，并用噴漆標出對應(yīng)位置。通過偏中線的垂線端部，在巷道兩幫進行標記觀測位置，同樣用噴漆標出，以便以后觀測。觀測站斷面如圖5所示。

圖4 方案一(左)及方案二(右)

圖5 觀測站斷面示意圖

通過測量OA/OB/OC/OD數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，來判斷巷道變形位置及變形情況。根據(jù)推進度對固定觀測站和重點區(qū)段移動觀測站進行數(shù)據(jù)觀測，將數(shù)據(jù)分開統(tǒng)計，每次將觀測站進行一次數(shù)據(jù)統(tǒng)計更新。通過新、舊(原始)數(shù)據(jù)，經(jīng)表格生成折線圖進行對比分析，如圖6所示。

圖6 巷道變形折線圖

通過測量期間頂?shù)装逡平繑?shù)據(jù)采集、分析，得知使用φ28.6 mm錨索支護效果非常好，對動壓巷道支護起到很好的治理作用。同時減少了錨索支護間排距(支護密度)，降低了支護成本和勞動強度。

促使保德煤礦在實現(xiàn)高強度、高剛度、高可靠性與低密度支護的“三高一低”現(xiàn)代錨桿(索)支護時代開創(chuàng)新高。通過該設(shè)計理念，還可以在保證支護效果的前提下，將該大直徑錨索直接應(yīng)用到巷道掘進中，不僅能加快巷道掘進速度，提高巷道掘進效率，還能降低巷道二次維護費用，杜絕因支護不可靠而帶來冒頂事故。

4 結(jié)論

(1)錨索破斷是目前煤礦動壓巷道普遍存在的一種現(xiàn)象，可引發(fā)巷道失去錨索支護而引發(fā)冒頂事故，嚴重時還可能造成人員傷亡事故，甚至發(fā)生巷道被冒落物體充填形成盲巷、截斷巷道正常通風(fēng)風(fēng)流而誘發(fā)其它事故，通過對動壓巷道使用多種支護材料的對比，得到大直徑錨索對以后動壓巷道維護具有重要意義。

(2)通過現(xiàn)場調(diào)查與分析，保德煤礦動壓巷道支護存在的主要問題是在用二次補強支護的1×7芯的φ21.6 mm錨索性能不符合實際要求。破斷口呈現(xiàn)彎曲變形和劈裂現(xiàn)象原因主要是靠近巷道頂板相對軟弱煤巖體，對剛度較大鋼絞線的軟剪切所導(dǎo)致。

(3)針對動壓巷道錨索破斷情況，不僅要在支護材質(zhì)上采用強度相對高的大直徑錨索(如：1×19芯高強度φ28.6 mm)，還要在支護標準上要求，保證錨索打設(shè)要垂直所需支護煤巖面、增加錨索預(yù)緊力、適當(dāng)減小錨索長度。同時還可試用其他延伸率大、屈服強度低的新型支護材料來治理動壓巷道。

(4)考慮到煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜性與多變性，為更加準確地設(shè)計復(fù)雜巷道(如：沿空留巷、小煤柱、高應(yīng)力強烈沖擊地壓、采動影響等)的支護問題，要對井下巷道圍巖力學(xué)以及圍巖結(jié)構(gòu)、強度和地應(yīng)力深入分析，持續(xù)開展“三場”(原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場與支護應(yīng)力場)分布特征及相互作用關(guān)系，對圍巖穩(wěn)定性的影響。

(5)往后還要加強分析“三場”，得出所需支護材料的各項指標要求，需攻關(guān)研究支護材料與構(gòu)件的研發(fā)，以不斷提高支護材料與構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量，最終實現(xiàn)動壓巷道支護的安全管理。