預(yù)應(yīng)力錨桿在辛置煤礦復(fù)合頂板巷道中的應(yīng)用

王恩龍

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦10-430B工作面位于東四采區(qū)左翼皮帶巷左側(cè)，西部為10-428A工作面(已圈定)，南部緊鄰東四左翼軌道巷，北部為10-430B2巷。工作面主采10#煤層，煤層平均厚度為2.62 m，平均傾角為2°，煤層直接頂為泥巖和9#煤層的互層，基本頂為K2灰?guī)r，底板為砂質(zhì)泥巖和中細(xì)砂巖，具體煤層頂?shù)装鍘r層特征見(jiàn)表1。

10-430B1巷是為滿足10-430B回采工作面的出煤、進(jìn)風(fēng)、行人而設(shè)計(jì)的，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度為4.3 m，高度為2.7 m，由于巷道頂板為復(fù)合頂板，該種圍巖條件存在失穩(wěn)機(jī)理復(fù)雜、支護(hù)困難等問(wèn)題，故為保障巷道頂板圍巖的穩(wěn)定，擬采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行圍巖控制。

表1 10#煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)

在錨桿支護(hù)技術(shù)中，預(yù)緊力作為錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵參數(shù)，高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與普通錨桿支護(hù)技術(shù)的主要區(qū)別為預(yù)應(yīng)力數(shù)值不同，預(yù)應(yīng)力在圍巖體內(nèi)的擴(kuò)散范圍不同，普通錨桿支護(hù)技術(shù)中存在的主要問(wèn)題為：①錨桿支護(hù)構(gòu)件不完善、不配套，嚴(yán)重影響預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散和主動(dòng)支護(hù)效果；②錨桿桿體選材不合理、預(yù)緊機(jī)具不齊備，影響主動(dòng)支護(hù)效果與預(yù)緊力對(duì)圍巖的控制效果；③錨桿預(yù)緊力的設(shè)計(jì)不合理。我國(guó)眾多礦井錨桿預(yù)緊力設(shè)計(jì)僅僅依靠施工經(jīng)驗(yàn)，在預(yù)緊力設(shè)計(jì)過(guò)程中缺少對(duì)錨桿桿體材質(zhì)和強(qiáng)度的考慮［1-4］。

為有效分析錨桿預(yù)緊力在圍巖體內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，通過(guò)刪除錨桿桿體尾部和圍巖之間的連接，并在錨桿的尾部建立剛性接觸，進(jìn)而對(duì)錨桿托盤進(jìn)行模擬，以分析錨桿支護(hù)作業(yè)時(shí)預(yù)應(yīng)力在圍巖體內(nèi)擴(kuò)散及控制效果，根據(jù)錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系，結(jié)合10-430B工作面的具體地質(zhì)條件，進(jìn)行頂板力學(xué)參數(shù)的賦值，具體頂?shù)装鍘r層各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 10#煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

設(shè)置錨桿預(yù)緊力為20 kN、30 kN、40 kN、60 kN時(shí)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，見(jiàn)圖1。

圖1 復(fù)合頂板預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布應(yīng)力

通過(guò)具體分析圖1可知，在錨桿的整體長(zhǎng)度上，錨桿分為錨固端和自由端，在錨桿的自由端上，預(yù)應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力分布在距離錨桿端部0～1.6 m的范圍內(nèi)，其中托盤位置處的預(yù)應(yīng)力最大，隨著距離托盤距離的增大，錨桿預(yù)緊力呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，預(yù)應(yīng)力在復(fù)合頂板淺部圍巖內(nèi)的擴(kuò)散能夠消除圍巖內(nèi)部的拉應(yīng)力。在錨桿的錨固端，即距離錨桿端部1.6～2.4 m的范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且相鄰錨桿之間的拉應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)相互疊加的現(xiàn)象，進(jìn)而在一定厚度范圍內(nèi)形成壓應(yīng)力區(qū)，即壓力拱，進(jìn)而能夠有效增強(qiáng)復(fù)合頂板的穩(wěn)定性。

在進(jìn)行錨桿預(yù)緊力的設(shè)計(jì)，一般設(shè)計(jì)錨桿預(yù)緊力為桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%，根據(jù)眾多試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐結(jié)果［5-8］，能夠得出直徑為25 mm、材質(zhì)為20MnSi左旋螺紋鋼錨桿在不同預(yù)緊扭矩下對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力實(shí)驗(yàn)室測(cè)試值和井下實(shí)測(cè)值的曲線見(jiàn)圖2。

圖2 錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力關(guān)系曲線

根據(jù)圖2可知，在該種錨桿材質(zhì)和直徑下，隨著錨桿預(yù)緊扭矩的增大，錨桿預(yù)緊力呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行錨桿預(yù)緊力的試驗(yàn)時(shí)，錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力之間基本呈現(xiàn)出線性變化關(guān)系，但在井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，當(dāng)錨桿的預(yù)緊扭矩增大到400 N·m以上時(shí)，隨著錨桿預(yù)緊扭矩的增大，預(yù)緊力的變化幅度較小，即當(dāng)錨桿的預(yù)緊扭矩大于400 N·m時(shí)，此時(shí)繼續(xù)增大錨桿預(yù)緊扭矩，對(duì)提高錨桿預(yù)緊力的效果并不大，故基于此可知，在進(jìn)行高預(yù)緊力錨桿施工作業(yè)時(shí)，可確定錨桿的預(yù)緊扭矩為400 N·m，轉(zhuǎn)化為預(yù)應(yīng)力即為70 kN。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)10-430B鄰近工作面回采巷道的工程實(shí)踐表明，在巷道采用普通錨桿支護(hù)技術(shù)時(shí)，復(fù)合頂板易出現(xiàn)大面積的“網(wǎng)兜”現(xiàn)象。同時(shí)肩角錨桿容易出現(xiàn)大面積被剪段的現(xiàn)象，頂板常出現(xiàn)小范圍的冒頂現(xiàn)象，原有支護(hù)頂板采用鋼帶進(jìn)行錨索的連接，鋼帶在礦壓作用下大多被撕裂。根據(jù)鄰近工作面的工程實(shí)踐，結(jié)合10-430B1巷道復(fù)合頂板的具體特征，具體對(duì)錨桿的材質(zhì)、預(yù)緊力、支護(hù)構(gòu)件及錨索的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選和設(shè)計(jì)，具體如下：

（1）錨桿材質(zhì)：為保障圍巖控制效果，需選用錨桿材質(zhì)表面會(huì)與錨固劑之間形成較大的粘結(jié)力，同時(shí)需保障錨桿的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度［9-10］，基于上述考慮確定錨桿材質(zhì)為KMG345。

（2）錨桿預(yù)緊力：根據(jù)上節(jié)數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)果，確定巷道錨桿的預(yù)緊扭矩為400 N·m。

（3）錨桿支護(hù)附件：為保障巷道表面巖體的穩(wěn)定，適應(yīng)復(fù)合頂板大變形的要求，在巷道頂板采用菱形金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)由10#鐵絲編制而成，長(zhǎng)為1.0 m，寬為4.7 m，巷道兩幫采用鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫，鋼筋網(wǎng)由Φ12 mm鋼筋焊制而成。錨桿托盤采用長(zhǎng)×寬×厚=120 mm×120 mm×10 mm，同時(shí)在托盤上配套減摩墊圈。

（4）錨索支護(hù)參數(shù)：頂板錨桿采用型號(hào)為Φ25 mm×2400 mm的高強(qiáng)度錨桿，間排距為800 mm×800 mm，采用端頭錨固，使用MSCK2370和MSK2370型樹(shù)脂錨固劑各一支，頂角錨桿與巷道表面呈20°傾角安設(shè)，其余錨桿均與巷道表面垂直安設(shè)。頂板錨索采用Φ17.8 mm×7000 mm的1×7股鋼絞線，每排布置兩根錨索，間排距為1600 mm×1600 mm，錨索預(yù)緊力設(shè)置為200 kN，錨固同樣采用端頭錨固，每根錨索采用2支MSK2370和1支MSCK2335型樹(shù)脂錨固劑，托盤采用配套的減摩拱形鋼托盤；兩幫錨桿采用型號(hào)為Φ20 mm×2200 mm的高強(qiáng)度錨桿，錨桿間排距、錨固方式和預(yù)緊扭矩與頂板相同，幫角錨桿與幫部表面呈20°安設(shè)。

10-430B1巷道具體支護(hù)方式見(jiàn)圖3。

圖3 巷道支護(hù)斷面

3.2 效果分析

在10-430B1巷道采用上述高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)后，為分析該種支護(hù)方案下復(fù)合頂板的穩(wěn)定性，在巷道掘進(jìn)期間進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)作業(yè)，監(jiān)測(cè)作業(yè)持續(xù)進(jìn)行1個(gè)月，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康挠^測(cè)，進(jìn)而得出巷道表面位移變化曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 巷道表面位移曲線

根據(jù)巷道表面位移曲線圖能夠看出，隨著巷道觀測(cè)時(shí)間的增大，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟砍霈F(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，可大致將巷道圍巖變形大致分為3個(gè)階段，分別為變形劇烈期、變形緩慢期和穩(wěn)定期，其中在巷道開(kāi)挖后15d圍巖處于變形劇烈期，此時(shí)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟枯^大；在巷道掘出15～25d的范圍內(nèi)，此時(shí)巷道表面位移速率逐漸減小，變形相對(duì)于巷道開(kāi)挖15d內(nèi)大大減??；當(dāng)巷道掘出25d后，圍巖的變形基本量基本不再變化，即表明巷道圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在觀測(cè)期間內(nèi)，圍巖的最終的頂板及兩幫移近量分別為143 mm和203 mm，控制了回采巷道復(fù)合頂板的圍巖變形。

4 結(jié)語(yǔ)

1、根據(jù)10-430B工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)數(shù)值模擬得出錨桿自由端和錨固端的預(yù)應(yīng)力分別表現(xiàn)為壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，相鄰錨桿之間的拉應(yīng)力會(huì)相互疊加形成壓力拱，增強(qiáng)復(fù)合頂板的穩(wěn)定性。

2、基于數(shù)值模擬結(jié)果和直徑為25 mm、材質(zhì)為20MnSi左旋螺紋鋼錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力間的關(guān)系曲線，綜合分析后確定巷道錨桿合理預(yù)緊扭矩為400 N·m。

3、根據(jù)10-430B工作面的地質(zhì)條件及鄰近工作面的工程實(shí)踐，進(jìn)行高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，通過(guò)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)保障了復(fù)合頂板巷道圍巖的穩(wěn)定。