加長預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)在破碎圍巖中的應(yīng)用

王燕青

（山西壽陽潞陽瑞龍煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400）

引言

巷道在掘進(jìn)過程中需對(duì)掘進(jìn)圍巖進(jìn)行控制維護(hù)，傳統(tǒng)主要采用錨桿（索）進(jìn)行支護(hù)，錨桿（索）支護(hù)時(shí)主要通過錨固劑與圍巖進(jìn)行固定，然后對(duì)支護(hù)體施加預(yù)應(yīng)力，確保錨桿（索）支護(hù)構(gòu)件與圍巖能夠貼合，起到承載作用，同時(shí)支護(hù)體在預(yù)緊過程中，預(yù)應(yīng)力能夠傳遞至穩(wěn)定圍巖內(nèi)，從而形成連續(xù)穩(wěn)定的應(yīng)力承載梁，削弱巖體自重及集中應(yīng)力影響。但是當(dāng)掘進(jìn)巷道圍巖受集中應(yīng)力影響后，圍巖出現(xiàn)變形、破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖內(nèi)形成松動(dòng)圈，隨著集中應(yīng)力不斷加大，松動(dòng)圈范圍也隨之?dāng)U大，當(dāng)松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大至支護(hù)體錨固端時(shí)，造成支護(hù)體錨固失效，支護(hù)體預(yù)應(yīng)力無法有效傳遞至圍巖內(nèi)，從而降低了支護(hù)體支護(hù)效果[1-6]。本文以150108軌道巷為研究對(duì)象，對(duì)巷道掘進(jìn)過程中支護(hù)方式進(jìn)行合理優(yōu)化，提出了加長預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 150108軌道巷概況

山西壽陽潞陽瑞龍煤業(yè)有限公司150108軌道巷位于井田東翼，巷道東部為井田邊界、西部為盤區(qū)大巷、南部為150109軌道巷、北部為150107膠帶巷。

150108軌道巷設(shè)計(jì)長度為1 400 m，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=4.8 m×3.2 m，巷道掘進(jìn)煤層為15號(hào)下煤層，煤層傾角-9°～16°，平均傾角8°，平均厚度為3.5 m，15號(hào)下煤層直接頂板為泥巖，厚度為2.0～4.5 m，平均厚度3 m；往上為15號(hào)煤，煤層平均厚度1.8 m；15號(hào)煤直接頂為粉砂巖，厚度2～3 m；往上為砂質(zhì)泥巖，厚度5～7 m；再往上為細(xì)砂巖，呈深灰色，厚4 m；再往上為碳質(zhì)泥巖、15號(hào)上煤、碳質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、14號(hào)煤和K3石灰?guī)r。

150108軌道巷初步設(shè)計(jì)頂板采用錨桿（索）進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿長度為2.0 m、直徑為22 mm，每排布置6根，錨桿間排距為0.9 m、1.0 m；頂板錨索長度為4.5 m、直徑為17.8 mm，每排布置2根，布置間排距為2.5 m、3.0 m。由于150108軌道巷上覆頂板北部為150101采空區(qū)、南部為150102采空區(qū)，受兩個(gè)采空區(qū)殘余應(yīng)力剪切破壞作用影響，導(dǎo)致150108軌道巷頂板破碎嚴(yán)重，造成原頂板錨桿、錨索支護(hù)失效率高，起不到預(yù)期支護(hù)效果。

2 加長預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)

為了提高150108軌道巷頂板穩(wěn)定性，降低支護(hù)失效率，決定對(duì)150108軌道巷頂板施工加長預(yù)應(yīng)力錨索。

2.1 錨索選型

1）鋼絞線：150108軌道巷錨索采用直徑為21.8mm、1×9股大直徑預(yù)應(yīng)力鋼絞線，具體參數(shù)如下：公稱截面積為387 mm2，質(zhì)量為2.41 kg/m，強(qiáng)度級(jí)別為1 700 MPa，破斷力為425 kN，延展率為4.7%，采用左旋捻向。

2）錨具：錨索安裝的鎖具采用內(nèi)孔直徑為23 mm、模具一次性澆筑而成的鎖具，鎖具主要包括錨頭、三片夾片等部分，錨具組裝件靜載錨固性能效率系數(shù)≥95%，在極限拉力作用下鎖具受力變形長度的總應(yīng)變大于2.0%。

3）錨固方式及托盤規(guī)格：錨索采用端頭錨固方式，每根錨索采用兩支MSK23/60型及一支MSCK23/35型錨固劑進(jìn)行錨固，錨索托盤采用長度及寬度均為0.3 m、厚度為5 mm拱形托盤。

4）錨索施工配套機(jī)具：錨索鉆孔采用液壓鉆機(jī)配套直徑為28 mm“八”字型合金鋼鉆頭，鉆桿采用直徑為26 mm、長度為1.2 m六棱鉆桿進(jìn)行施工，攪拌頭采用21.8 mm專用錨索攪拌頭，以及采用專用張拉機(jī)具進(jìn)行打壓，張拉行程為150 mm，張拉力為190 kN。

2.2 錨索布置參數(shù)

根據(jù)150108軌道巷掘進(jìn)現(xiàn)狀及圍巖特性，巷道頂板施工錨索長度為8.0 m，錨索布置在相鄰兩排錨桿之間，每排布置3根預(yù)應(yīng)力錨索，錨索垂直頂板布置，錨索布置間距為2.0 m、排距為3.0 m，若頂板破碎嚴(yán)重可縮小錨索布置排距，縮小為2.0 m。

2.3 錨索施工工藝

預(yù)應(yīng)力錨索施工順序?yàn)椋哄^索鉆孔施工→安裝錨固劑→攪拌錨索→安裝托盤→預(yù)緊。

1）鉆孔施工：將液壓鉆機(jī)安裝在鉆孔施工位置下方，安裝鉆桿及鉆頭，鉆頭使用時(shí)保證鉆桿垂直頂板，當(dāng)?shù)谝桓@桿鉆進(jìn)頂板后退出鉆桿安裝第二根鉆桿，以此類推直至鉆孔施工到位，鉆孔垂直頂板布置，鉆孔垂直角允許偏差為3°。

2）安裝錨固劑：鉆孔施工到位后采用風(fēng)管將鉆孔內(nèi)煤巖屑吹干凈，然后對(duì)鉆孔底部安裝錨固劑，共計(jì)三支，最底端為MSCK23/35型，錨固劑采用錨索送入鉆孔底部。

3）攪拌錨索：錨索及錨固劑安裝至孔內(nèi)后，將錨索外露端插入攪拌套，攪拌套另一端安裝在鉆機(jī)上，開動(dòng)鉆機(jī)后鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)攪拌套轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)錨索進(jìn)行攪拌，錨索攪拌過程中鉆機(jī)逐漸升起，錨索攪拌時(shí)間為180 s，攪拌后等待時(shí)間為480 s。

4）安裝托盤：錨索攪拌到位后錨索外露長度為150～250 mm，在錨索外露端依次安裝托盤及鎖具，然后采用張拉千斤頂對(duì)錨索進(jìn)行預(yù)緊，錨索預(yù)緊力不得低于370 kN。

2.4 注意事項(xiàng)

1）在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)孔施工時(shí)，必須準(zhǔn)確掌握鉆孔深度及巖性，確保鉆孔施工后錨索錨固時(shí)能夠完全錨固，若錨索錨固段巖體為軟巖或者離層煤巖體時(shí)，應(yīng)合理變更錨索長度，確保錨索錨固到堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖體內(nèi)。

2）錨索安裝時(shí)應(yīng)2人配合，先對(duì)鉆孔內(nèi)安裝錨固劑后安裝錨索，采用錨索注漿泵將錨固劑送入鉆孔底部，攪拌套安裝后將錨索插入攪拌套內(nèi)，先采用大扭矩?cái)嚢瑁瑪嚢璧轿缓笾饾u減小攪拌扭矩。

3）錨索安裝后在安裝托盤時(shí)，必須保證托盤與頂板接觸面積不低于60%，錨索采用氣動(dòng)打壓泵進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力必須符合設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

為了分析高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后對(duì)圍巖支護(hù)效果，在巷道支護(hù)區(qū)每隔50 m安裝一臺(tái)YH-300型數(shù)字顯示頂板離層儀，共計(jì)安裝3臺(tái)（編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)），并進(jìn)行現(xiàn)場觀察分析。

通過圖1分析可得，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后在前20 d范圍頂板下沉量逐漸加大，在該區(qū)域主要受頂板蠕動(dòng)變形影響，頂板下沉相對(duì)嚴(yán)重；在20～30 d范圍內(nèi)頂板蠕動(dòng)變形現(xiàn)象逐漸降低，頂板下沉量逐漸減?。辉?0 d后預(yù)應(yīng)力錨索與變形頂板起到耦合支護(hù)作用，控制了頂板下沉現(xiàn)象，頂板下沉量控制在0.14 m以下。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后頂板變形曲線圖

150108軌道巷采取加長預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，有效控制了頂板離層現(xiàn)象，支護(hù)后巷道圍巖相對(duì)穩(wěn)定。由此可見，巷道采取預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)效果明顯，對(duì)巷道圍巖應(yīng)力起到有效改善作用，防止了頂板因應(yīng)力作用出現(xiàn)破碎、冒漏的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）150108軌道巷頂板采用加長預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，有效控制了應(yīng)力區(qū)圍巖變形現(xiàn)象，防止巷道掘進(jìn)過程中受應(yīng)力作用發(fā)生變形、垮落事故，取得了顯著應(yīng)用成效。由此可見，應(yīng)力區(qū)采取加長高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)具有可行性。

2）150108軌道巷采用加長預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)后，有利于樹脂錨固劑攪拌效果，以及載荷傳遞，有效解決了傳統(tǒng)采用小直徑錨索支護(hù)時(shí)破斷力小、承載能力低及易變形等技術(shù)難題，防止了巷道錨索支護(hù)過程中錨索斷裂現(xiàn)象。

3）150108軌道巷采用加長、加粗錨索后，使三徑匹配更加合理，提高了錨索錨固質(zhì)量，加長錨索錨固端延伸至穩(wěn)定巖體內(nèi)，解決了傳統(tǒng)短錨索支護(hù)時(shí)，受圍巖松動(dòng)圈影響，出現(xiàn)錨固失效現(xiàn)象，增加了錨索支護(hù)強(qiáng)度。

4）采用加長高預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)時(shí)，使圍巖內(nèi)能夠形成穩(wěn)定連續(xù)的組合梁結(jié)構(gòu)，提高了圍巖整體承載能力，削弱了垂直應(yīng)力對(duì)頂板破壞作用，控制了圍巖變形現(xiàn)象。