高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用

康紅普 , 王金華 , 林 　健

( 煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院 , 北京 　 100013)

摘 　要 : 針對(duì)煤礦深部及復(fù)雜困難巷道條件 , 分析了錨桿支護(hù)作用 , 提出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論 , 大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度 , 保持圍巖的完整性 , 減少圍巖強(qiáng)度降低 ; 開(kāi)發(fā)出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng) , 包括強(qiáng)力錨桿、強(qiáng)力鋼帶及強(qiáng)力錨索系列材料 , 力學(xué)性能得到顯著提高 ; 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)成功應(yīng)用于新汶礦區(qū)千米深井巷道 , 巷道變形降低 70% 左右 ,頂板離層僅為原來(lái)的 5% , 巷道支護(hù)狀況發(fā)生了本質(zhì)改變 . 實(shí)踐證明 , 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)可有效控制圍巖變形與破壞 . 同時(shí) , 提高頂板支護(hù)的剛度與強(qiáng)度可有效地減小煤幫壓力和底臌。

　　隨著煤礦開(kāi)采深度、廣度和強(qiáng)度的不斷增加 , 出現(xiàn)了大量復(fù)雜困難巷道 , 包括深部高地應(yīng)力巷道、圍巖松軟膨脹巷道、極破碎圍巖巷道、特大斷面巷道、受強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道、沿空留巷與采空區(qū)留巷等 . 這些復(fù)雜困難巷道共同的特點(diǎn)是圍巖變形強(qiáng)烈、破壞范圍大 , 巷道往往需要多次維修與翻修 , 極易出現(xiàn)冒頂、片幫 , 巷道安全得不到保證 . 我國(guó)煤礦開(kāi)采深度以 8 ～ 12 m /a 的速度增加 . 目前 , 有 100 余處煤礦開(kāi)采深度超 600 m, 有 19 處煤礦開(kāi)采深度超過(guò) 1 000 m, 最深達(dá)到 1 300 m. 煤炭產(chǎn)量的大幅度提高進(jìn)一步加速了礦井深度的增加 . 淺礦井?dāng)?shù)目大為減少 , 深礦井將成倍增加 . 預(yù)計(jì)在未來(lái) 20 a 我國(guó)很多煤礦將進(jìn)入到 1 000 ～ 1 500 m 的開(kāi)采深度 . 深部開(kāi)采引起高地壓、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng)影響 . 深部礦井垂直應(yīng)力明顯增大 , 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜 , 開(kāi)采擾動(dòng)影響強(qiáng)烈 , 導(dǎo)致巷道壓力大、圍巖變形大、破壞嚴(yán)重 , 造成前掘后修、多次翻修甚至冒頂片幫的被動(dòng)局面 , 對(duì)深部礦井的安全開(kāi)采帶來(lái)巨大威脅 . 目前 , 雖然高強(qiáng)度錨桿支護(hù)已成為煤礦巷道首選的、主要的支護(hù)方式, 在一般條件下取得良好的支護(hù)效果 , 但對(duì)于深部及復(fù)雜困難巷道 , 高強(qiáng)度錨桿支護(hù)效果差 , 成本高 , 不能滿足巷道支護(hù)要求 . 分析其原因 , 主要表現(xiàn)在 2 個(gè)方面 : ①在支護(hù)理論方面 , 還缺乏高應(yīng)力與復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下巷道圍巖與支護(hù)體相互作用機(jī)理全面、系統(tǒng)的研究 . 目前 , 國(guó)內(nèi)大部分復(fù)雜困難巷道采用二次支護(hù)理論 , 即巷道支護(hù)分兩次進(jìn)行 , 一次支護(hù)在保持巷道穩(wěn)定的前提下 , 允許巷道有一定的變形以釋放壓力 ; 隔一定的時(shí)間后實(shí)施二次支護(hù) , 保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定 . 但是 , 這種理論目前已遇到了極大的挑戰(zhàn) , 在深部動(dòng)壓影響區(qū)、構(gòu)造壓力帶、軟巖破碎帶等地點(diǎn) , 采用二次支護(hù)后仍出現(xiàn)變形破壞等問(wèn)題 , 甚至需要 3 次、 4 次支護(hù) , 巷道周而復(fù)始的發(fā)生破壞 ,

圍巖變形長(zhǎng)期得不到有效控制 . ②在支護(hù)材料方面 , 現(xiàn)有錨桿與錨索支護(hù)系統(tǒng)的剛度與強(qiáng)度低 : 支護(hù)系統(tǒng)剛度小 , 預(yù)應(yīng)力低 , 強(qiáng)度不足 , 抗沖擊性能差 , 造成錨桿拉斷或整體失效 ; 錨索直徑小、強(qiáng)度低、延伸率低 , 與鉆孔匹配性差 , 經(jīng)常出現(xiàn)錨索被拉斷或整體滑動(dòng) ; 鋼帶強(qiáng)度與剛度小 , 容易撕裂和拉斷 , 護(hù)表效果差 .

　　圍繞上述 2 個(gè)主要問(wèn)題 , 本文在深入研究深部及復(fù)雜困難巷道支護(hù)理論的基礎(chǔ)上 , 開(kāi)發(fā)出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng) , 并在千米深井巷道中得到成功應(yīng)用 .

1 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論

　　針對(duì)深部及復(fù)雜困難巷道條件 , 在理論分析、數(shù)值模擬及井下試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上 , 提出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論 , 其要點(diǎn) :

  (1) 巷道圍巖變形主要包括 2 部分 : ①結(jié)構(gòu)面離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)及新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形 , 屬于不連續(xù)變形 ; ②圍巖的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形 , 屬于連續(xù)變形 . 由于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度一般比較低 , 因此開(kāi)巷以后 , 不連續(xù)變形先于連續(xù)變形 . 合理的巷道支護(hù)形式是 , 大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度 , 有效控制圍巖不連續(xù)變形 , 保持圍巖的完整性 , 同時(shí)支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率 , 允許巷道圍巖有較大的連續(xù)變形 , 使高應(yīng)力得以釋放 . 與傳統(tǒng)的 “先柔后剛、先讓后抗 ”的支護(hù)理念相比 , 深部及復(fù)雜困難巷道支護(hù)應(yīng)該是 “先剛后柔再剛、先抗后讓再抗 ” , 最大限度地保持圍巖完整性 , 盡量減少圍巖強(qiáng)度的降低 .

   (2) 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形 , 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) , 使圍巖成為承載的主體 . 在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu) , 阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層 , 同時(shí)改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài) .

   (3) 錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用根據(jù)巷道條件確定合理的預(yù)應(yīng)力 , 并使預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 . 單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍是很有限的 , 必須通過(guò)托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中 . 特別是對(duì)于巷道表面 , 即使施加很小的支護(hù)力 , 也會(huì)明顯抑制圍巖的變形與破壞 , 保持頂板的完整 . 錨桿托板、鋼帶與金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮極其重要的作用 .

   (4) 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度 , 即使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)所需要支護(hù)系統(tǒng)提供的剛度 . 支護(hù)系統(tǒng)剛度小于臨界支護(hù)剛度 , 圍巖將長(zhǎng)期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài) ; 相反 , 支護(hù)系統(tǒng)的剛度達(dá)到或超過(guò)臨界支護(hù)剛度 , 圍巖變形得到有效抑制 , 巷道處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài) . 支護(hù)剛度的關(guān)鍵影響因素是錨桿預(yù)應(yīng)力 , 因此 , 存在錨桿臨界預(yù)應(yīng)力值 . 當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)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 .

    (5) 錨桿支護(hù)對(duì)巷道圍巖的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形等連續(xù)變形控制作用不明顯 , 要求支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率 , 使圍巖的連續(xù)變形得以釋放 .

    (6) 對(duì)于深部及復(fù)雜困難巷道 , 應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù) , 應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞 , 避免二次支護(hù)和巷道維修。

2 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

　　錨桿支護(hù)材料包括桿體、托板、螺母、錨固劑、組合構(gòu)件、金屬網(wǎng)、錨索等 . 我國(guó)煤礦巷道錨桿支護(hù)材料經(jīng)歷了低強(qiáng)度 →高強(qiáng)度 →高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的發(fā)展過(guò)程 .金屬桿體從圓鋼、建筑螺紋鋼 , 發(fā)展到煤礦錨桿專用鋼材 ———左旋無(wú)縱筋螺紋鋼 ; 錨固方式從機(jī)械錨固、水泥藥卷錨固 , 發(fā)展到樹(shù)脂錨固 ; 錨桿支護(hù)形式從單體錨桿、錨網(wǎng)支護(hù) , 發(fā)展到錨桿、鋼帶、網(wǎng)、錨索等多種形式的組合支護(hù) , 小孔徑樹(shù)脂錨固錨索得到大面積推廣應(yīng)用 . 國(guó)內(nèi)在高強(qiáng)度錨桿材料方面做了大量工作, 支護(hù)材料向高強(qiáng)度、高剛度與高可靠性方向發(fā)展 , 以確保巷道支護(hù)效果與安全程度 . 為了解決深部及復(fù)雜困難巷道支護(hù)難題 , 煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采研究所在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上 , 經(jīng)過(guò)聯(lián)合攻關(guān) , 開(kāi)發(fā)研制出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng) , 包括強(qiáng)力錨桿、強(qiáng)力鋼帶及強(qiáng)力錨索系列材料 , 實(shí)現(xiàn)了支護(hù)系統(tǒng)的高預(yù)應(yīng)力與主動(dòng)、及時(shí)的強(qiáng)力支護(hù) .

2. 1 　強(qiáng)力錨桿

2 .1. 1   　錨桿桿體幾何形狀與尺寸

　　錨桿桿體形狀設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則有 4 個(gè)方面 : ①在合理孔徑差的條件下 , 保證桿體能順利插入鉆孔 ; ②有利于提高錨固劑的黏結(jié)力與錨桿錨固效果 ; ③盡量使桿體各個(gè)部位等強(qiáng)度 ; ④桿體尾部有利于施加較大的預(yù)緊力 . 目前 , 螺紋鋼錨桿桿體主要有 3 種形式 : 普通建筑螺紋鋼桿體、右旋全螺紋鋼桿體及左旋無(wú)縱筋螺紋鋼桿體 . 前 2 種桿體存在明顯缺陷 , 正逐步淘汰 . 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼桿體基本能滿足桿體形狀設(shè)計(jì)的四準(zhǔn)則 , 是比較理想的錨桿桿體 . 根據(jù)復(fù)雜困難巷道條件 , 確定強(qiáng)力錨桿桿體公稱直徑一般為 22 ～25 mm, 長(zhǎng)度為 2 ～ 3 m.

2 .1 . 2 　錨桿桿體材質(zhì)

　　國(guó)外使用的錨桿桿體屈服強(qiáng)度為 400 ～ 600 MPa, 甚至更高 , 破斷力一般為 200 ～ 300 kN, 甚至更大 .如美國(guó)高強(qiáng)度螺紋鋼桿體的屈服強(qiáng)度為 414 ～ 689 MPa, 拉斷強(qiáng)度為 621 ～ 862 MPa; 英國(guó)高強(qiáng)度螺紋鋼桿體的屈服強(qiáng)度為 640 ～ 720 MPa; 澳大利亞的 < 22 mm 高強(qiáng)度錨桿破斷力達(dá)到 240 kN; < 22 mm 的超高強(qiáng)度錨桿破斷力達(dá)到 340 kN. 為了達(dá)到和超過(guò)國(guó)外錨桿桿體材料水平 , 滿足我國(guó)復(fù)雜困難巷道支護(hù)的要求 ,開(kāi)發(fā)出錨桿專用鋼材配方 , 其中 BHRB500, BHRB600 型號(hào)的鋼材可用于生產(chǎn)強(qiáng)力錨桿 . 這 2 種鋼材的公稱直徑均為 22 ～ 25 mm, 屈服強(qiáng)度分別為 500, 600 MPa, 抗拉強(qiáng)度分別為 670, 800 MPa, 伸長(zhǎng)率均為18%. 對(duì)于 < 22 mm 的 BHRB600 型鋼筋 , 屈服力達(dá) 228 1 1 kN, 破斷力達(dá) 304 1 1 kN. 分別是同直徑建筑螺紋鋼的 1 1 79 和 1 1 63 倍 ; 是同直徑圓鋼的 2 1 50 和 2 1 11 倍 . 強(qiáng)力錨桿預(yù)應(yīng)力級(jí)別可超過(guò) 100 kN, 真正實(shí)現(xiàn)

了高預(yù)應(yīng)力與高強(qiáng)度 .

2 .1 . 3 　錨桿附件

　　除強(qiáng)力錨桿桿體外 , 還開(kāi)發(fā)出與強(qiáng)力錨桿力學(xué)性能相配套的托板、螺母 . 同時(shí) , 為了減少螺母與托板之間的摩擦阻力和摩擦扭矩 , 最大限度地將錨桿安裝扭矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力 , 研究開(kāi)發(fā)出高效減摩墊圈 , 置于螺母與托板之間 , 顯著減少了摩擦阻力 , 在相同的安裝扭矩下大幅度提高了錨桿預(yù)緊力 .

2 .2 　強(qiáng)力鋼帶

　　鋼帶是高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件 , 對(duì)錨桿預(yù)緊力與工作阻力擴(kuò)散、錨桿作用范圍擴(kuò)大、整體支護(hù)能力的增強(qiáng)具有重要作用 . W 形鋼帶是用薄鋼板經(jīng)多道軋輥連續(xù)進(jìn)行冷彎、滾壓成型的型鋼產(chǎn)品 . W 形鋼帶護(hù)表面積大、強(qiáng)度高、剛度大 , 是一種性能比較優(yōu)越的錨桿組合構(gòu)件 . 根據(jù)我國(guó)煤礦井下巷道的具體情況 , 設(shè)計(jì)了不同尺寸與規(guī)格的 W 鋼帶 , 并制定了我國(guó)礦用 W 鋼帶標(biāo)準(zhǔn) (MT/T861 - 2000).在井下使用時(shí) , 可根據(jù)巷道的具體條件 , 選擇不同參數(shù)的 W 型鋼帶 . W 形鋼帶的主要缺點(diǎn)是 : 當(dāng)鋼帶較薄、巷道壓力大時(shí) , 與平鋼帶類似 , 易出現(xiàn)托板壓入或壓穿鋼帶 , 導(dǎo)致鋼帶發(fā)生剪切和撕裂破壞 . 為了與強(qiáng)力錨桿力學(xué)性能匹配 , 開(kāi)發(fā)出強(qiáng)力鋼帶 : ①適當(dāng)加大鋼帶厚度 , 將鋼帶厚度由原來(lái)的 2 1 5 ～ 3 1 0 mm 增加到 4 1 0 ～ 5 1 0 mm, 使鋼帶的拉斷載荷達(dá)到 500 kN 以上 ; ②不改變鋼帶幾何尺寸的情況下 , 選用強(qiáng)度更高的鋼材 .

2 . 3 　強(qiáng)力錨索

2 . 3. 1 　錨索索體結(jié)構(gòu)與材料

現(xiàn)用的小孔徑樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索材料主要包括索體、錨具和托板 , 索體材料一般采用鋼絞線.小孔徑樹(shù)脂錨固錨索應(yīng)用初期 , 由于沒(méi)有煤礦專用錨索鋼絞線 , 只能選用建筑行業(yè)已有的鋼絞線規(guī)格 . 較為廣泛采用的鋼絞線由 7 根鋼絲組成( 圖 1 (a) ) , 為 < 15 1 2, < 17 1 8 mm, 拉斷載荷分別為 260, 353kN, 伸長(zhǎng)率分別為 3 1 5% , 4 1 0%. 在井下使用過(guò)程中 , 發(fā)現(xiàn)1 × 7 結(jié)構(gòu)錨索有以下弊端 : ①索體直徑偏小 , 與鉆孔直徑不匹配 , 孔徑差過(guò)大 , 明顯影響樹(shù)脂錨固力 ; ②索體破斷力小 , 在復(fù)雜困難巷道中經(jīng)常出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象 ; ③索體延伸率低 , 不能適應(yīng)圍巖的大變形 ; ④索體強(qiáng)度低 , 施加的預(yù)應(yīng)力水平低 , 導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力作用范圍小 , 控制圍巖離層、滑動(dòng)的作用差 , 當(dāng)錨索比較長(zhǎng)時(shí)尤為如此 .針對(duì)上述問(wèn)題 , 煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采研究所聯(lián)合有關(guān)單位 , 開(kāi)發(fā)出大直徑、高噸位的強(qiáng)力錨索 , 并形成了系列產(chǎn)品 . 一方面加大了錨索索體直徑 , 從 < 15 1 2 mm 增加到 < 18 1 0, < 20 1 0, < 22 1 0 mm,不僅顯著地提高了索體的破斷力 , 而且使索體直徑與鉆孔直徑的配合更加合理 ; 另一方面 , 改變了索體結(jié)構(gòu) , 采用新型的 19 根鋼絲代替了原來(lái)的 7 根鋼絲 ( 圖 1 (b) ) , 索體結(jié)構(gòu)更加合理 , 而且增加了索體的柔

性和延伸率 . 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明 : 1 × 19 結(jié)構(gòu)的公稱直徑分別為 18 1 0, 20 1 0, 22 1 0 mm, 拉斷載荷分別

為 408, 510, 607 kN, 伸長(zhǎng)率均為 7 1 0%. < 22 1 0 mm 的高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線的破斷力超過(guò) 600 kN, 是

< 15 1 2 mm 的鋼絞線破斷力的 2 1 3 倍 ; 索體延伸率比 < 15 1 2 mm 的鋼絞線提高一倍 .2 . 3. 2 　錨具及托板錨具是在后張法構(gòu)件中 , 為保持預(yù)應(yīng)力鋼絞線的拉力并將其傳遞到被錨圍巖上所用的永久性錨固裝置 . 根據(jù)強(qiáng)力錨索索體的力學(xué)參數(shù) , 開(kāi)發(fā)出強(qiáng)力錨索錨具 , 具有可靠的錨固性能和足夠的承載能力 , 保證了充分發(fā)揮強(qiáng)力鋼絞線的強(qiáng)度 . 錨索托板有多種形式 , 最常用的是平托板 , 由一定厚度和面積 ( 如300 mm × 300 mm × 16 mm) 的普通鋼板制成 . 另一種是采用一段槽鋼 ( 如 12, 14 號(hào)槽鋼 ) 制成 . 有的礦區(qū)還采用工字鋼或廢舊溜槽制作錨索托板 . 這幾種托板只適用于錨索垂直巷道表面布置 , 而且力學(xué)性能差 . 當(dāng)錨索預(yù)緊力和承受的載荷比較大時(shí) , 平托板四周易翹起 , 托板承載顯著降低 ; 槽鋼托板易變形、扭曲 , 甚至壓穿槽鋼 , 使錨索失效 . 為克服以上托板的缺點(diǎn) , 滿足強(qiáng)力錨索的要求 , 開(kāi)發(fā)出拱形錨索托板 ,并配調(diào)心球墊 . 一方面托板的承載能力顯著提高 , 與強(qiáng)力錨索強(qiáng)度相匹配 , 且具有一定的變形性 ; 另一方面 , 托板可調(diào)心 , 改善了錨索受力狀態(tài) , 使錨索支護(hù)能力得以充分發(fā)揮

3 　新汶礦區(qū)千米深井巷道支護(hù)試驗(yàn)研究

新汶礦區(qū)是我國(guó)開(kāi)采深度最大的礦區(qū)之一 , 平均開(kāi)采深度已超過(guò) 1 000 m, 最深達(dá) 1 300 m. 它集中了采深大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、礦井災(zāi)害性現(xiàn)象頻發(fā)等多重條件 , 使得巷道支護(hù)極為困難 .目前 , 深部巖石巷道圍巖變形大、底臌嚴(yán)重 ; 煤巷維護(hù)困難 , 需要多次維修與翻修 ; 沖擊礦壓煤層巷道支護(hù)問(wèn)題沒(méi)有得到解決 . 以往研究形成的錨網(wǎng)噴二次支護(hù)理論受到了挑戰(zhàn) , 在深部動(dòng)壓影響區(qū)、構(gòu)造壓力帶、軟巖破碎帶等地點(diǎn) , 采用二次支護(hù)后仍出現(xiàn)大變形與破壞等問(wèn)題 , 需要 3 次甚至更多次的支護(hù) , 巷道維護(hù)費(fèi)用極高 , 而且圍巖變形長(zhǎng)期不能穩(wěn)定 . 為此 , 針對(duì)高地應(yīng)力、軟巖巷道 , 進(jìn)行了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)井下試驗(yàn) .

3.1 　巷道圍巖地質(zhì)與生產(chǎn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為新汶?yún)f(xié)莊礦 1202E 運(yùn)輸巷.該巷沿二煤頂板掘進(jìn) , 煤層平均厚度 2 1 4 m, 傾角 20 ～26 ° . 直接頂為厚 6 1 5 m 的砂質(zhì)頁(yè)巖 , 水平層理發(fā)育 , 破碎易垮落 ; 直接底為黏土巖 , 遇水膨脹變軟 , 厚度 0 ～ 0 1 5 m; 其下為厚 2 1 2 m 的砂質(zhì)頁(yè)巖 . 巷道埋深 1 150 ～ 1 200 m. 在新汶?yún)f(xié)莊礦 1202E 運(yùn)輸巷進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量 . 測(cè)量結(jié)果表明 : 最大水平主應(yīng)力為 34 1 60 MPa, 方向?yàn)?N12 1 5 ° E; 最小水平主應(yīng)力為17 1 89 MPa; 垂直主應(yīng)力為 30 1 48 MPa. 可見(jiàn) , 新汶?yún)f(xié)莊礦千米深井巷道地應(yīng)力很高 , 而且水平應(yīng)力占明顯優(yōu)勢(shì) . 圍巖強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果表明 : 砂質(zhì)頁(yè)巖的單軸抗壓強(qiáng)度為 35 ～ 40 MPa, 煤層強(qiáng)度為 12 MPa 左右 , 煤巖體強(qiáng)度比較低 . 巷道斷面為倒梯形 , 掘進(jìn)斷面積 11.1 m2，全寬 3 .7 m, 全高 3 m.

3.2 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)井下試驗(yàn)

3.2 .1 　錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

　　采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算進(jìn)行了多方案比較 , 確定巷道支護(hù)形式為 : 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù) ( 錨桿支護(hù)布置如圖 2 所示) ,錨桿為 < 25 mm 的左旋無(wú)縱筋錨桿 , 長(zhǎng)度 2 1 4 m, 桿尾螺紋為 M27, 極限破斷力超過(guò) 400 kN. 樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固 , 預(yù)緊力設(shè)計(jì)為 80 kN. 組合構(gòu)件為 W 鋼帶 , 鋼帶厚度 5 mm, 寬 280 mm. 采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂、護(hù)幫 , 錨桿排距 1 1 0 m, 每排 12 根錨桿 , 頂板錨桿間距 900 mm, 上幫錨桿間距 1 100 mm, 下幫間距 800 mm.

3.2.2 　井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

錨桿支護(hù)實(shí)施于井下后 , 進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè) . 原有錨桿支護(hù)頂?shù)装逡平?930 mm, 兩幫移近量 779 mm, 頂板下沉量 195 mm, 底臌量 735 mm, 頂板離層 80 mm. 強(qiáng)力錨桿支護(hù)巷道頂?shù)装逡平繛?281 mm, 兩幫移近量為 173 mm, 頂板下沉量為 40 mm, 底臌量為 241 mm,頂板離層為 4 mm, 分別比原錨桿支護(hù)巷道降低 69 1 8% , 77 1 8% , 79 1 5% , 67 1 2% , 95 1 0% , 巷道圍巖變形降低幅度非常顯著 . 巷道支護(hù)狀況如圖 3 所示 , 原支

護(hù)巷道變形大、圍巖破碎 ;強(qiáng)力錨桿支護(hù)巷道圍巖完整、穩(wěn)定 , 支護(hù)狀況發(fā)生了本質(zhì)的改變 . 可見(jiàn) , 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)有效控制了深部巷道圍巖強(qiáng)烈變形 ,為深部巷道提供了有效的支護(hù)方式 .

3.3 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)效果分析

　　綜合新汶礦區(qū)各礦井深部巷道井下試驗(yàn)情況 , 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)效果主要表現(xiàn)為 :   (1) 大幅度提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度與強(qiáng)度可有效減小圍巖離層與破壞范圍 . 采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng) , 通過(guò)大幅度提高錨桿預(yù)緊力及強(qiáng)度 , 可有效控制圍巖離層、滑動(dòng)、裂紋擴(kuò)展以及新裂紋的產(chǎn)生等擴(kuò)容變形 , 顯著減小圍巖離層、變形、破壞范圍與松動(dòng)區(qū)的大小 , 保持圍巖的完整性與穩(wěn)定性 .(2) 提高頂板錨桿支護(hù)的剛度與強(qiáng)度可有效減小煤幫壓力和底臌 . 大幅度提高頂板錨桿預(yù)緊力及強(qiáng)度 , 不僅可有效控制頂板離層、滑動(dòng) , 保持頂板的完整性 , 而且能使頂板的垂直壓力向更深、更遠(yuǎn)的兩側(cè)煤體轉(zhuǎn)移 , 降低煤幫的壓力 , 非常有利于煤幫的維護(hù) . 同時(shí) , 由于頂板垂直壓力向深部轉(zhuǎn)移 , 煤幫壓力與變形減小 , 又十分有利于底臌的控制 .

4 　結(jié) 　　論

     (1) 深部及復(fù)雜困難巷道錨桿支護(hù)的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂紋產(chǎn)生等不連續(xù)的擴(kuò)容變形 , 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) . 合理的支護(hù)形式是 : 大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度 , 最大限度地保持圍巖完整性 , 盡量減少圍巖強(qiáng)度的降低 . 同時(shí) , 支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率 , 允許巷道圍巖有較大的連續(xù)變形 , 使高應(yīng)力得以釋放 . 深部及復(fù)雜困難巷道支護(hù)特性應(yīng)該是 “先剛后柔再剛、先抗后讓再抗 ” , 應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞 , 避免二次支護(hù)和巷道維修 .

      (2) 錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果起決定作用 . 根據(jù)巷道條件確定合理預(yù)應(yīng)力 , 并使其實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 . 錨桿托板、鋼帶與金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮極其重要的作用 .

      (3) 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng) , 包括強(qiáng)力錨桿、強(qiáng)力鋼帶及強(qiáng)力錨索系列材料的力學(xué)性能得到大幅度提高 , 真正實(shí)現(xiàn)了錨桿支護(hù)的主動(dòng)、及時(shí)支護(hù) .

      (4) 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)在新汶礦區(qū)千米深井巷道中得到成功應(yīng)用 , 巷道圍巖變形降低 70% 左右 , 頂板離層僅為原來(lái)的 5% , 巷道支護(hù)狀況發(fā)生了本質(zhì)的改變 .

(5) 實(shí)踐證明 , 大幅度提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度與強(qiáng)度可有效減小圍巖變形與破壞范圍 , 提高頂板支護(hù)的剛度與強(qiáng)度可有效減小煤幫壓力和底臌 . 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)為深部及復(fù)雜困難巷道提供了有效的支護(hù)方式