錨桿預(yù)應(yīng)力對巷道支護(hù)效果的影響

李 政

（西山煤電西曲礦掘進(jìn)二隊， 山西 古交 030200）

引言

工作面巷道支護(hù)效果直接決定綜采工作面生產(chǎn)和作業(yè)人員的安全性。在實際生產(chǎn)中，由于煤炭開采導(dǎo)致工作面頂板的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，進(jìn)而出現(xiàn)巷道頂板坍塌、兩幫出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象，在制約工作面生產(chǎn)效率的同時嚴(yán)重威脅到作業(yè)人員的人身安全。本文以12207 工作面為例，其在實際生產(chǎn)中由于支護(hù)手段不合理，嚴(yán)重影響正常通風(fēng)和開采的安全，雖然采用可注式支護(hù)能夠使其巷道頂?shù)装宓淖冃蔚玫胶棉D(zhuǎn)，但是可注式支護(hù)導(dǎo)致回風(fēng)巷道斷面較小，在影響回風(fēng)效率的同時影響工作面的正常運(yùn)輸[1]。因此，提出預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的方式對巷道進(jìn)行支護(hù)，并對其支護(hù)效果進(jìn)行驗證。

1 工程概況

某煤礦12207 工作面可開采煤層為2 號煤層，煤層平均厚度為8.78 m，煤層平均普式硬度為1.8。經(jīng)探測，該工作面煤層屬于穩(wěn)定煤層，且煤層的厚度變化較小。12207 工作面煤層的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 12207 工作面煤層的頂?shù)装迩闆r

12207 工作面的走向長度為2 000 m，含有傾斜部分的長度為182 m，整個工作面傾斜部分的傾斜角度范圍為24.5°～31°。本文著重以12207 工作面研究預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)對巷道支護(hù)效果的改善，并對其中預(yù)應(yīng)錨桿支護(hù)工藝的實施以及預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的現(xiàn)場試驗進(jìn)行監(jiān)測。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)設(shè)計與實施

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)是由鉆孔穿過軟巖層，預(yù)應(yīng)錨桿的一端固定在工作面堅硬的巖層，預(yù)應(yīng)力錨桿的另一端進(jìn)行張拉操作，從而對巷道圍巖起到穩(wěn)定、固定作用。一般的，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)能夠?qū)ぷ髅鎳鷰r進(jìn)行局部加固，提高錨桿支護(hù)的張拉作用，對層狀巖層進(jìn)行加固[2]。結(jié)合12207 工作面的頂?shù)装迩闆r，對其采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式，具體支護(hù)參數(shù)如下。

2.1 工作面錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計

2.1.1 頂板支護(hù)參數(shù)

頂板支護(hù)所采用無縱筋螺紋鋼筋錨桿直徑為22 mm，錨桿長度為2 400 mm，錨桿間排距為850 mm，錨桿間距為900 mm，工作面頂板每排錨桿的數(shù)量為5 根。頂板錨桿采用錨固劑對錨固進(jìn)行加長，其中所采用錨固劑的類型為K2335 和Z2360。經(jīng)錨固劑加長處理后錨固的長度為1 654 mm。為保證錨桿支護(hù)的效果，為其施加400 Nm 的預(yù)緊扭矩。而且，頂板錨桿的與錨桿相匹配的錨索的直徑為17.8 mm，錨索長度為7 300 mm，錨索的間排距為1 800 mm，同樣采用樹脂卷對錨索錨固進(jìn)行加長處理，所采用錨固劑的類型分別為K2335 和Z2360，經(jīng)錨固加長處理后錨固的長度為1 860 mm，為錨索所施加預(yù)緊力的大小為180 kN。

此外，針對頂板支護(hù)為其增加W 鋼帶和菱形金屬網(wǎng)的支護(hù)方式。

2.1.2 巷幫支護(hù)參數(shù)

巷幫支護(hù)采用無縱筋螺紋鋼筋錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 000 mm，錨桿間排距為800 mm，錨桿間距為900 mm，工作面頂板每排錨桿的數(shù)量為4 根。頂板錨桿采用錨固劑對錨固進(jìn)行加長，其中所采用錨固劑的類型為K2335 和Z2360。經(jīng)錨固劑加長處理后錨固的長度為1 300 mm。為保證錨桿支護(hù)的效果為其施加400 Nm 以上的預(yù)緊扭矩。

此案為，針對巷幫支護(hù)還需采用W 型鋼護(hù)板和菱形金屬護(hù)幫進(jìn)行加固支護(hù)。

12207 工作面的整體支護(hù)效果如圖1 所示。

圖1 12207 工作面預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)整體效果

2.2 預(yù)應(yīng)力錨桿及施工工藝

針對12207 工作面的頂?shù)装濉⒌刭|(zhì)以及水文等條件，本次支護(hù)方案所采用的無縱筋螺紋鋼筋錨桿屬于高強(qiáng)度、高剛度錨桿支護(hù)系統(tǒng)[3]，所選預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的構(gòu)件如圖2 所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

錨桿支護(hù)工藝:結(jié)合常規(guī)錨桿支護(hù)工藝的步驟，對于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)需經(jīng)歷如下施工步驟：鉆巷道頂板中部錨桿孔（采用Φ28 mm 的鉆頭完成鉆孔，將錨桿孔的誤差控制在50 mm 以內(nèi)）- 裝樹脂卷- 裝全套錨桿- 攪拌藥卷（攪拌15 s 后停機(jī)）- 攪拌機(jī)停機(jī)（需保持較大的推力）- 緊固螺母（根據(jù)預(yù)緊扭矩值上緊螺母）。

錨索支護(hù)工藝：定錨索眼位- 打錨索眼（使用Φ28 mm 的鉆頭）- 清理錨索眼- 將樹脂卷放入錨索眼中- 攪拌25 s 左右并停機(jī)后保持推力60 s- 緊固錨索[4]。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)效果

為綜合評估預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果，本文在12207 工作面巷道設(shè)置3 個監(jiān)測站分別對巷道表面位移、頂板離層量、錨桿受力以及錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測。其中，巷道表面位移采用十字布點法進(jìn)行測量，包括有頂板、兩幫的移近量以及頂板的下沉量；采用離層指示儀對巷道頂板的離層量進(jìn)行監(jiān)測；采用CM-300 測力計對錨桿受力進(jìn)行監(jiān)測；采用GYS-500 測力計對錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測[5]。此處僅對巷道頂板采用普通錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的頂板離層量進(jìn)行對比研究，對比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 普通錨桿與預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)下巷道頂板離層量對比

如圖3 所示，頂板離層量包括有深部離層量和淺部離層量。原支護(hù)采用普通錨桿支護(hù)，其對應(yīng)的深部頂板離層最大值為170 mm，淺部離層最大值為110 mm，總的頂板離層量280 mm；新支護(hù)采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，其對應(yīng)的深部頂板離層最大值為80 mm，淺部離層最大值為45 mm，總的頂板離層量125 mm。經(jīng)對比分析可知，采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后對應(yīng)頂板的離層量降低約55.3%。

此外，經(jīng)核算可知采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后可提升巷道的掘進(jìn)速度，巷道后期的維修費(fèi)用明顯降低。

4 結(jié)論

錨桿支護(hù)為綜采工作面巷道支護(hù)的主要形式，針對某些特殊工作面采用普通錨桿支護(hù)，其支護(hù)效果遠(yuǎn)達(dá)不到實際生產(chǎn)需求，需采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)對巷道工作面圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行加固，具體如下：

1）針對12207 工作面的特點，對錨桿和錨索分別施加400 Nm 的預(yù)緊扭矩和180 kN 的預(yù)緊力；

2）采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后12207 工作面總的頂板離層量降低55.3%，且大幅度提升了巷道的掘進(jìn)機(jī)速度，降低了巷道的后期維護(hù)費(fèi)用。