高預應力錨桿支護技術及其在復雜困難煤巷中的應用

馬萬祥 劉曉平 馬永生

(神華寧煤集團棗泉煤礦，寧夏銀川751410)

摘要：針對高應力等復雜困難巷道條猝，分析了錨桿支護作用，提出高預應力錨桿支護原理，大幅度提高支護系統(tǒng)的初期支護剛度與強度，保持圍巖的完整性，減少圍巖強度降低；高預應力錨桿支護技術成功應用于棗采煤礦高地應力巷道，巷道變形降低70％左右，巷道支護狀況發(fā)生了本質(zhì)改變。實踐證明，高預應力鑄桿支護技術可有效控割圍巖變形與破壞。

1、高預應力錨桿支護原理

　　目前，高強度錨桿支護已成為煤礦巷道首選的、主要的支護方式，在一般條件下取得良好的支護效果，但對于復雜困難巷道，錨桿使用密度很大，圍巖變形仍然十分劇烈，支護效果并不理想。通過跟蹤大量巷道冒頂事故及頂板嚴重離層變形的工程現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)圍巖變形強烈甚至導致冒頂?shù)脑蚴清^桿支護系統(tǒng)的剛度和強度過低造成的。提高巷道錨桿預應力，可以有效控制巷道圍巖變形量，極大地提高巷道的穩(wěn)定性。

　　康紅普等根據(jù)現(xiàn)有錨桿支護存在的錨桿預應力小，預應力擴散效果差，支護剛度低，致使錨桿主動支護作用不能充分發(fā)揮，不能有效控制圍巖離層與破壞等缺點，針對高地應力等復雜困難巷道條件提出高預應力錨桿支護作用機理：

(1)、預應力錨桿支護主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴容變形與破壞，盡量使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，提高錨固區(qū)圍巖的整體強度和穩(wěn)定性。

(2)、錨桿預應力及其擴散對支護效果起著決定性作用。根據(jù)巷道圍巖條俘確定合理的預應力，并使預應力實現(xiàn)有效擴散是支護設計的關鍵。單根錨桿預應力的作用范圍很有限，錨桿托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構件能夠?qū)㈩A應力擴散到離錨桿更遠的圍巖中，在預應力支護系統(tǒng)中發(fā)揮極其重要的作用。

(3)、預應力錨桿支護系統(tǒng)存在I臨界支護剛度。即錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層_鄆拉應力區(qū)所囂要支護系統(tǒng)提供的剛度。支護剛度的關鍵影響因素是錨桿預應力，因此，存在錨桿臨界預應力值，當錨桿預應力達到一定數(shù)值后，可以有效控制圍巖變形與離層，而且錨桿受力變化不大。

2、工程地質(zhì)條件

棗泉煤礦11201工作面圓風巷處于碎石井背斜軸西翼，巷道位于二煤煤層中，二煤煤厚4．74—9．42m，平均厚7．88m．煤層傾角8。，巷道沿煤層底板掘進，設計為矩形斷面，掘進寬度4800mm，掘進高度3850mm。該回風巷位于西翼首采區(qū)首采面，靠近碎石井背斜軸部，在掘進到1300m左右時，巷道壓力明顯增大，煤炮聲頻繁，上幫圍巖破碎，巷道頂板及上幫變形較大，多處發(fā)生錨桿、錨索斷裂現(xiàn)象，嚴重影響掘進速度，兩個半月共掘進160m，平均日進尺在2m左右，且巷道安全無法保證，已經(jīng)采用架棚維護．實踐證明原有支護方案已經(jīng)不能滿足高地應力巷道支護，為此，針對高地應力巷道進行了高預應力錨桿支護技術井下試驗。

3、高預應力錨桿支護試驗

3.1　錨桿支護設計

針對巷道高地應力特點，結合數(shù)值模擬結果，確定支護方案為：頂錨桿采用直徑22mm長度2．4m的500號左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，極限拉斷力266kN，屈服力為190kN，延伸率22％；幫錨扦采用直徑20mm長度2。0m的500號左旋。無縱筋專用螺紋鋼錨桿，極限拉斷力200kN，屈服力為160kN，延伸率22％。樹脂加長錨固，預緊力矩設計為400N．m。頂部采用寬280mm、厚3mm的w鋼帶，幫部采用寬280mm、長450mm、厚5mm的W型鋼護板等組合支護構件．錨索采用甲17．8mm長7．3m的預應力鋼絞線，錨索托板采用300×300×16鋼板制作的拱型托板，錨索預緊力達到180kN。錨桿間排距由原來的800×800mm增大到

1000×1000mm。

體支護參數(shù)見圖1．

3．2支護效果對比

3．2．1原支護方案與新支護方案對比

　　從井下現(xiàn)場來看，支護效果比原來支護有明顯改善，原有錨桿支護段頂板下沉量在950ram左右，兩幫移近量在770mm左右．高預應力錨桿支護頂板下沉量在280mm左右，兩幫移近量在100mm左右，分別比原錨桿支護巷道降低70％和87％左右，巷道圍巖變形降低幅度非常顯著。頂板和上幫由原來的隨掘隨冒和片幫嚴重變?yōu)楝F(xiàn)在的頂板及上幫很平整。掘進速度由原來的日進尺2m左右提高到日進尺10--12m，掘進速度提高了5--6倍，且避免了前掘后修的現(xiàn)象。

3．2．2　高預應力與低預應力支護效果對比

　　采用新支護方案后，開始200m由于沒有購進專用的預緊工具，預緊力矩仍停留在120N．m左右，結果巷道變形仍然很大，頂板下沉量在740mm左右，兩幫移近量為330mm左右．通過鉆孔窺視(見圖2、圖3)可以看到：頂板2．4m范圍內(nèi)煤體裂隙已經(jīng)非常發(fā)育，煤體破碎嚴重．導致錨桿錨固段失效，錨桿失去作用，隨頂板整體下沉。

　　采用專用的預緊工具后，預緊力矩達到400N．m，巷道變形得到有效控制，頂板下沉量減小到280ram左右，兩幫移近量減小薊100ram左右。頂板煤體保持完整，裂隙發(fā)育不明顯。

3．3　高預應力錨桿支護效果分析

　　根據(jù)棗泉煤礦高應力巷道井下試驗情況，高預應力錨桿支護技術的支護效果主要表現(xiàn)為：通過大幅度提高錨桿預緊力及支護系統(tǒng)的剛度和強度，可有效控制圍巖離層、滑動、裂紋擴展以及新裂紋的產(chǎn)生等擴容變形，顯著減小圍巖離層、變形、破壞范圍與松動區(qū)的大小，保持圍巖的完整性與穩(wěn)定性。

4　結論

　　高預應力錨桿支護技術在棗泉煤礦高地應力巷道中得到成功應用，巷道圍巖變形降低70％左右，巷道支護狀況發(fā)生了本質(zhì)的改變．采用高預應力、高強度和高剛度的主動錨桿支護，使錨桿支護真正實現(xiàn)了主動、及時支護，充分發(fā)揮了錨桿的支護能力。大幅度提高錨桿支護系統(tǒng)的剛度與強度可有效減小圍巖變形與破壞范圍，高預應力錨桿支護技術為復雜困難巷道提供了有效的支護方式。