復(fù)合頂板錨桿支護的疊加支護方法研究

高燕杰

（汾西礦業(yè)集團安全監(jiān)察中心，山西 介休 032000）

在煤礦礦井建設(shè)和開挖工作過程中，錨桿支護施工技術(shù)是幾種比較常用的技術(shù)形式，所具有的支護工作優(yōu)越性非常明顯，但是在煤層埋深相對較大的礦井開挖工作中，由于多分層、低強度負(fù)荷頂板錨桿支護施工方法一直是其中一項施工難題。根據(jù)頂板巖性條件、分層結(jié)構(gòu)等相關(guān)參數(shù)多次變化，頂板錨桿支護施工方案每一種設(shè)計工作方案，在進行多次優(yōu)化和改進之后并沒有達(dá)到預(yù)期的巷道支護工的效果。

1 巷道頂板破壞機理分析

1.1 巷道頂板破壞過程

由于煤礦巷道頂板位置受壓出現(xiàn)變形，巖石局部出現(xiàn)屈服變形、節(jié)理弱面產(chǎn)生破壞、頂板位置較低層的彎曲變形、巖層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉伸或者局部剪切破壞問題，最終會造成煤礦巷道頂板產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。

1.2 塑性破壞工作機理

煤礦巷道圍巖在高地應(yīng)力作用條件下，會產(chǎn)生應(yīng)力擴張變形破壞問題，巷道圍巖當(dāng)中經(jīng)常會存在膨脹性軟巖地質(zhì)條件，在吸水之后會產(chǎn)生膨脹變形問題，造成圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。巷道在開挖工作完成之后，巷道周圍圍巖先通過壓應(yīng)力造成擠壓破壞問題，隨著擠壓破壞不斷朝著圍巖結(jié)構(gòu)深處進一步發(fā)展，會造成巖石裂隙進一步擴張出現(xiàn)體積膨脹、巷道周圍的巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲，進而會出現(xiàn)彎曲拉應(yīng)力作用，造成頂板的巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性問題[1]。

1.3 結(jié)構(gòu)破壞機理

煤礦巷道開挖工作完成之后，巖層結(jié)構(gòu)的抗水平應(yīng)力截面面積下降，在水平應(yīng)力作用條件下每一層會沿著水平層面不斷朝著巷道內(nèi)部擠壓，造成巷道的頂部位置受到水平作用力影響而產(chǎn)生破壞。圍巖結(jié)構(gòu)當(dāng)中節(jié)理構(gòu)造面存在圍巖承載能力下降以及穩(wěn)定性下降問題，特別是在節(jié)理面和最大主應(yīng)力方向上產(chǎn)生斜交問題時，巖體結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)穩(wěn)定性下降而產(chǎn)生弱面破壞性問題。煤礦巷道開挖工作完成之后，圍巖結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)通過三軸應(yīng)力變成單軸壓應(yīng)力狀態(tài)，因為巖石單軸的抗壓強度相對較低，會造成圍巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性破壞問題，或者直接沿著節(jié)理發(fā)育面產(chǎn)生破壞。周圍的巖層結(jié)構(gòu)會受到比較嚴(yán)重的擠壓破壞影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和彎曲情況，破壞區(qū)域越大彎曲變形程度越高，因此所造成巷道周圍位置始終處于一種強壓縮性的狀態(tài)。隨著錨固巖體結(jié)構(gòu)繼續(xù)出現(xiàn)變形和彎曲，巷道內(nèi)部的錨桿始終處于緊張受力狀態(tài)，如果錨桿的長度和剛性程度較大會造成受力更大，當(dāng)達(dá)到極限受力強度時會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的破壞性問題[2]。

2 疊加支護工作理論

當(dāng)前在我國一些深井開挖工作過程中，在高應(yīng)力作用條件下煤礦巷道內(nèi)部的錨桿支護，在長時間的使用過程中會產(chǎn)生一定的松動和不穩(wěn)定性問題，并且相關(guān)工作人員也經(jīng)過多次支護參數(shù)調(diào)整，但是如果從單層錨桿作用角度上來看，提高支護體結(jié)構(gòu)強度整體的表現(xiàn)效果相對較差。通過對以往的實踐工作理論分析可以看出，通過這種單一的錨桿支護施工方法，無法完全阻止巷道頂板的破壞性問題，則錨桿支護設(shè)計工作過程中不能單純從提高支護體結(jié)構(gòu)強度的角度上來進行分析，需要從對破壞巖土的加固、阻止圍巖結(jié)構(gòu)繼續(xù)產(chǎn)生松動以及提高松動體自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度上進行重點分析和考慮，不但需要發(fā)揮出錨桿支護工作所具有的優(yōu)勢，同時還需要保證復(fù)合頂板的支護施工效果得到有效保證[3]。

2.1 一級支護結(jié)構(gòu)

一級支護結(jié)構(gòu)主要指的是短錨桿形成的承載結(jié)構(gòu)，單一通過錨桿支護使用方法無法阻止圍巖產(chǎn)生松動問題，則無須要特別提高頂板支護結(jié)構(gòu)體的強度大小，將短錨桿的延展性抗拉強度以及抗剪強度的工作優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。短錨桿的錨固厚度相對較小，錨固體擴容變形量相對較小，擴容應(yīng)力進一步降低，通過使用全程錨固方法加強螺紋鋼錨桿支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以充分滿足復(fù)合頂板底層結(jié)構(gòu)錨固體的擴容變形效果，因此可以形成初期支護階段的頂板擠壓和平衡狀態(tài)形成強度更高的次生承載體。

2.2 二級支護結(jié)構(gòu)

通過使用鋼絞線錨桿所具有的可延展性特點，有效適應(yīng)圍巖結(jié)構(gòu)破壞問題所產(chǎn)生的擴張變形量，有效保證人體結(jié)構(gòu)的承載強度和穩(wěn)定性，保證次生承載體在產(chǎn)生破壞的問題前后，始終處于一種更加穩(wěn)定的塑性強度大小。有效使用鋼絞線錨桿的長度和強度大小，全面強化自身承載層的抗變形能力，長錨桿和短錨桿通過相間布置方法，在容易產(chǎn)生彎曲破壞的巷道頂板中間位置可以有效解決，因為頂板中部受力過大而產(chǎn)生變形量問題的干擾，進一步提高頂板次生承載層的抗壓強度以及塑性變形工作能力，可以形成一種塑性更強、承載力更大的不均勻?qū)ΨQ基礎(chǔ)承載體結(jié)構(gòu)，全面提高破壞巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。

2.3 三級支護結(jié)構(gòu)

通過使用鋼絞線錨索對巖體展開擠壓和加固處理，保證錨索相互之間形成堵墻和促進性作用，同時和短錨桿、長錨桿、錨索加固的承載體之間形成相互補強作用。錨索結(jié)構(gòu)具有良好的延展性以及抗拉工作強度，會使得錨索所形成的錨固巖體，在巷道頂板的中間區(qū)域形成一條強度更大、塑性更強、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高的承載體。錨索加固點在松動圈之外，可以進一步提高頂板承載體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時錨索設(shè)置在兩排錨桿的中間區(qū)域，可以進一步提高支護體結(jié)構(gòu)的密度大小，錨索和長錨桿具有更高的延展性能同時強度更高，可以全面提高承載體結(jié)構(gòu)的強度、塑性以及抗彎曲破壞性，能有效提高存在的結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3 疊加支護技術(shù)方法的具體應(yīng)用

有效結(jié)合我國某地區(qū)一處煤礦開采巷道支護施工展開分析和研究，本次巷道支護施工方法，采用的是疊加支護技術(shù)方法，工作單位積累了大量的參數(shù)數(shù)據(jù)信息，充分發(fā)揮出疊加支護施工技術(shù)優(yōu)勢。本條巷道埋深467 m 頂板結(jié)構(gòu)屬于復(fù)合層結(jié)構(gòu)，煤礦巷道設(shè)計斷面尺寸為4.6 m×3.0 m，矩形斷面結(jié)構(gòu)根據(jù)疊加支護施工技術(shù)方法進行頂板支護設(shè)計，短錨桿結(jié)構(gòu)使用的是22 mm×1 600 mm 的熱軋螺紋鋼材料。長錨桿使用的是14.5 mm×3 500 mm 的鋼絞線，錨桿錨索使用的是14.5 mm×5 300 mm 的鋼絞線材料，錨桿錨索和測站儀器設(shè)備進行合理設(shè)計，根據(jù)疊加支護理論方法展開頂板支護施工，其中總共設(shè)置出三個監(jiān)測站，監(jiān)測站間距為10 m 頂板離層指示儀[5]。

通過三個固定點進行加固處理，固定點深度大小分別為1.5 m、3.5 m 和5.0 m。在第一階段支護施工過程中，采用的是一級支護施工方法，短錨桿受力大小為130 kN 頂板下沉速率較快，平均達(dá)到8 mm/d，第一階段大約為4 點左右。第二階段為一級和二級支護疊加，承載低位和中位承載體同時作為主承載結(jié)構(gòu)，長錨桿受力緩慢增加然后區(qū)域穩(wěn)定，三級支護結(jié)構(gòu)緩慢加在錨索數(shù)里大小進一步增加，頂板的下沉速率平穩(wěn)。第三階段作為一級二級和三級支護的疊加承載階段，在巷道頂板低位中位以及高位的承載體，同時進行支撐頂板結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，短錨桿長錨桿以及錨索的受力并沒有明顯的提升頂板結(jié)構(gòu)，不存在明顯的下沉量。同一條巷道的其他支護施工作為原錨桿支護設(shè)計結(jié)構(gòu)，錨桿材料使用的是22 mm×2 200 mm 的熱軋螺紋鋼材料，采取全程錨固錨桿間距大小為700 mm，排間距為800 mm 煤礦巷道從開挖到回采工作，錨桿支護原設(shè)計支護段經(jīng)過兩次翻修而疊加之后，綜采工作面臨及時進行拉底處理即可滿足正常的工作要求，整個支護施工效果和經(jīng)濟效益表現(xiàn)更加明顯[5]。

4 結(jié)語

通過錨桿支護使用方法，隨著巷道頂板的推移作用，經(jīng)常會出現(xiàn)局部巷道穩(wěn)定性下降，最后會出現(xiàn)更加嚴(yán)重的大面積煤礦巷道失穩(wěn)問題，因此需要通過采取疊加支護施工方法，進一步保證復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高整個煤礦開采工作的安全性，實現(xiàn)煤礦開采工作單位的良好經(jīng)濟效益和社會效益。