高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用研究

[ 摘 　要 ] 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)能夠大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度 , 保持圍巖的完整性 , 往往一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞。通過現(xiàn)場應(yīng)用表明 : 采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)提高了水簾洞煤礦巷道的安全性和可靠性 , 巷道從施工開始到結(jié)束 , 其變形和位移得到有效控制。

　　煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長過程。錨桿支護(hù)經(jīng)歷了從低強(qiáng)度、高強(qiáng)度到高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的發(fā)展過程 。早期的錨桿主要是機(jī)械錨固錨桿、鋼絲繩砂漿錨桿、端部錨固樹脂錨桿、快硬水泥錨桿及管縫式錨桿等。這些錨桿支護(hù)強(qiáng)度與剛度低 , 支護(hù)原理上仍屬于被動支護(hù)。近年來 , 為解決復(fù)雜困難巷道支護(hù)難題 , 一些學(xué)者提出并開發(fā)了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)技 。該技術(shù)不僅重視錨桿的強(qiáng)度, 更重視支護(hù)系統(tǒng)的剛度 , 特別是錨桿預(yù)應(yīng)力的重要性 , 真正實(shí)現(xiàn)了錨桿的主動、及時支護(hù) , 充分發(fā)揮了錨桿的主動支護(hù)作用 , 大幅度減少了巷道圍巖變形與破壞 ,巷道支護(hù)與安全狀況發(fā)生了本質(zhì)改變。同時 , 實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度的“三高一低 ”的現(xiàn)代錨桿支護(hù)設(shè)計理念 , 在保證支護(hù)效果的前提下 , 同時顯著提高了巷道掘進(jìn)速度與工效。

1 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論

(1) 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)主要作用在于 :一方面控制錨固區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 , 最大程度上抑制圍巖離層、裂隙張開擴(kuò)展、層間滑動、新裂紋生成等有害變形的產(chǎn)生 , 從而有效保證圍巖的整體性結(jié)構(gòu) , 并具有繼續(xù)承載的能力; 另一方面 ,高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)能夠保證錨桿、錨索的錨固力有效擴(kuò)散到圍巖結(jié)構(gòu)中 , 并使圍巖處于受壓狀態(tài) , 有效防止煤巖體整體強(qiáng)度的降低 , 提升其承載能力。否則 , 圍巖整體結(jié)構(gòu)的劣化將大大削弱錨固支護(hù)體的承載能力 , 那么后期錨桿、錨索的補(bǔ)強(qiáng)作用將很難有效遏制圍巖體產(chǎn)生諸多的有害變形 ,嚴(yán)重影響巷道的支護(hù)效果。

(2) 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)保證高預(yù)應(yīng)力及其有效地擴(kuò)散將對支護(hù)效果起到至關(guān)重要的作用 。通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將巷道中離散的、相互孤立的錨桿形成連續(xù)的支護(hù)體 , 使預(yù)應(yīng)力有效地擴(kuò)散到巷道的整個支護(hù)結(jié)構(gòu)中 , 使圍巖形成連續(xù)的受壓結(jié)構(gòu) , 有效提升其承載能力。

(3) 剛度是彈性體抗變形的能力 , 是一個廣義的物質(zhì)屬性 , 取決于材料的屬性、幾何尺寸及其邊界條件。錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度必須與圍巖的剛度相匹配才能有效地控制圍巖變形 。能夠提供高預(yù)應(yīng)力、高剛度是高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)成功的關(guān)鍵 , 這種支護(hù)系統(tǒng)能夠提供的剛度往往達(dá)到或者超過了所要求的支護(hù)剛度 , 圍巖的變形能夠得到有效的控制 , 巷道可處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。

(4) 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)具有足夠的延伸率 , 能適應(yīng)巷道開挖初期圍巖產(chǎn)生的連續(xù)變形, 同時能使圍巖中由于巷道開挖產(chǎn)生的集中應(yīng)力得以釋放 , 減小支護(hù)難度 , 使支護(hù)系統(tǒng)變形與圍巖變形能夠相互協(xié)調(diào) , 長期處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

(5) 對于復(fù)雜條件的巷道 , 應(yīng)盡量采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng) , 可做到一次支護(hù)就能有效控制圍巖結(jié)構(gòu)的變形與破壞 , 從而避免多次支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)和巷道維修。

2.　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)

　　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)包括強(qiáng)力錨桿、強(qiáng)力錨索及與之相配套的托板、螺母、錨固劑、金屬網(wǎng)等組合構(gòu)件

2 .1強(qiáng)力錨桿

　　強(qiáng)力錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼 , 能夠滿足錨桿桿體形狀設(shè)計的各項準(zhǔn)則 , 是理想的錨桿桿體。用 BHRB500, BHRB600 ( 公稱直徑均為 22 ～ 25mm)型號的鋼材生產(chǎn)的強(qiáng)力錨桿桿體的屈服強(qiáng)度可達(dá) 500MPa, 600MPa, 抗拉強(qiáng)度可達(dá) 670MPa,800MPa, 延伸率均為 18% 。

2 . 2 　錨桿附件

　錨桿附件采用與強(qiáng)力錨桿力學(xué)性能及所需預(yù)應(yīng)力等參數(shù)相配套的托板、螺母。為使扭矩能夠有效提升錨固預(yù)應(yīng)力 , 置于螺母與托板之間的高效減摩墊圈可顯著減少摩擦阻力 , 從而在很大程度上將錨桿安裝扭矩有效轉(zhuǎn)化為錨固預(yù)緊力。

2. 3 　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 ,對提高錨桿支護(hù)整體支護(hù)效果、保持圍巖的完整性起著關(guān)鍵作用。

(1) 鋼帶可擴(kuò)大錨桿作用范圍 , 實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力和工作阻力擴(kuò)散 , 使載荷趨于均勻?？删忮^桿受力 , 共同形成組合支護(hù)系統(tǒng) , 提高整體支護(hù)能力。

(2) 支護(hù)巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài) , 抑制淺部巖層離層、裂隙張開 , 保持圍巖的完整性 ,減少巖層彎曲引起的拉伸破壞 , 改善巖層應(yīng)力狀態(tài) , 防止錨桿間松動巖塊掉落。鋼帶應(yīng)與強(qiáng)力錨桿力學(xué)性能、圍巖體整體強(qiáng)度、剛度相匹配。

2 1 4 　強(qiáng)力錨索

　　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)采用大直徑、高噸位的強(qiáng)力錨索 , 其結(jié)構(gòu)采用 19 根鋼絲的高強(qiáng)強(qiáng)力鋼絞線 , 保證錨索具有足夠的承載能力和良好的錨固性能。并且具有很好的柔性和延伸率 , 其直徑與鉆孔直徑相匹配。強(qiáng)力錨索采用拱形托板及調(diào)心球墊與其性能相匹配 , 這種組合使拱形托板承載能力提高、產(chǎn)生一定的變形而不致失效 , 同時改善錨索受力狀態(tài) , 使其支護(hù)能力得到了充分的發(fā)揮。

3 　現(xiàn)場應(yīng)用

3. 1 　工程概況

　　水簾洞煤礦位于彬縣背斜以北的大佛寺向斜區(qū)南翼。井田范圍呈現(xiàn)出向北傾斜的單斜構(gòu)造 , 由三疊系基底繼承而來 , 地層傾角平緩 , 為 5 ～ 6 ° , 井田北部靠近大佛寺文物保護(hù)區(qū)時傾角變大 , 為 12～ 17 ° , 沒有發(fā)現(xiàn)斷層及巖漿侵入 , 所以本區(qū)構(gòu)造簡單。根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果 , 水簾洞煤礦 3 個測站最大水平主應(yīng)力最大為 13 1 99MPa, 最小水平主應(yīng) 力 最 大 為 7 1 36MPa, 垂 直 主 應(yīng) 力 最 大 為8 1 88MPa, 最小 7 1 47MPa 。屬于中等應(yīng)力值區(qū) ,在所測試區(qū)域沒有大的構(gòu)造 , 地質(zhì)條件較為簡單 ,最大水平主應(yīng)力方向一致性較好。應(yīng)力場類型總體上為σ H > σ v> σ h , 以構(gòu)造應(yīng)力為主。巷道埋深在 400m 左右 , 巷道均沿煤層底板布置 , 為全煤巷道 , 煤層厚度為 0 1 58 ～ 19 1 38m, 平均 12 1 20m 。煤厚穩(wěn)定 , 一般有 2 層夾矸 , 結(jié)構(gòu)簡單。根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果 , 煤體強(qiáng)度大部分集中在 16 ～ 23MPa, 平均強(qiáng)度 20 1 49MPa; 煤層偽頂多為灰黑色炭質(zhì)泥巖 , 零星分布 , 厚度 0 1 5m 以下。直接頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主 , 次為粉砂巖、砂巖 , 一般厚度 0 1 87 ～ 3 1 51m, 易冒落 , 為半堅硬不穩(wěn)定頂板 , 強(qiáng)度主要集中在 30 ～ 60MPa, 平均強(qiáng)度為 40 1 17MPa 。基本頂多為灰白色中粗粒砂巖 , 平均厚度 3 1 0m, 局部為細(xì)砂巖或粉砂巖 , 為半堅硬較穩(wěn)定頂板 - 穩(wěn)定頂板 , 強(qiáng)度較高 , 主要集中在

80 ～ 100MPa, 平均強(qiáng)度為 92 1 31MPa 。底板為灰色、灰褐色含鮞狀結(jié)構(gòu)鋁土質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖 , 一般厚度 2 1 14 ～ 6 1 75m, 屬軟弱巖層 , 遇水易膨脹 ,產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。

3 .2 　巷道支護(hù)現(xiàn)狀及存在問題分析

(1) 原有的錨桿支護(hù)設(shè)計未采用科學(xué)的設(shè)計方法 , 致使巷道支護(hù)強(qiáng)度普遍過高 , 支護(hù)密度過大 , 但支護(hù)效果并不理想 , 增加了支護(hù)成本 , 制約了掘進(jìn)速度 , 巷道安全無法保障。

(2) 錨桿支護(hù)材料落后 , 錨桿大量采用右旋螺紋鋼錨桿。由于錨桿的錨固端為連續(xù)的右旋螺紋 , 當(dāng)桿體右旋時 , 樹脂錨固劑會隨著桿體的旋轉(zhuǎn)由孔底向孔口流動 , 不能將藥劑充分混合 , 并且不容易填實(shí)錨固端桿體與孔壁之間的剩余空間 , 使黏結(jié)強(qiáng)度大大降低 ; 其次 , 全螺紋等強(qiáng)錨桿螺紋螺距大 , 螺母易松動 , 預(yù)緊力損失大。右旋螺紋鋼錨桿螺母為鑄造件 , 由于鑄造精度不夠 , 經(jīng)常造成錨桿出現(xiàn) “退帽 ”現(xiàn)象。另外在炮掘施工巷道 , 由于放炮震動 , 普遍發(fā)生錨桿螺帽被震松的現(xiàn)象 , 嚴(yán)重影響支護(hù)效果。

(3) 錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度不足。錨桿預(yù)應(yīng)力小 , 預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)差 , 支護(hù)剛度低 , 致使錨桿主動支護(hù)作用不能發(fā)揮 , 實(shí)質(zhì)上是被動支護(hù) , 不能有效控制煤巖體早期離層與破壞 , 煤巖體強(qiáng)度與完整性喪失過大 , 導(dǎo)致頂板下沉、兩幫鼓出。

(4) 護(hù)表構(gòu)件不合理。針對松散破碎煤巖體 ,應(yīng)采用高強(qiáng)度、高剛度、護(hù)表面積大的護(hù)表構(gòu)件 ,確保錨桿預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散和良好的護(hù)幫護(hù)頂效果。

3 .3 　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)試驗

(1) 錨桿支護(hù)設(shè)計 　“水簾洞煤礦機(jī)軌合一上山 ”頂板高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù) ( 錨桿支護(hù)布置如圖 1 所示 ) 錨桿為 400 號 < 22mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋 , 長度 2 1 4m, 桿尾螺紋為 M24,錨桿間、排距 700mm, 每排 13 根錨桿 , 采用拱型高強(qiáng)度托盤。樹脂加長錨固 , 采用 2 支錨固劑 , 一支規(guī)格為 K2335, 另一支規(guī)格為 Z2360 。錨索采用< 17 1 8mm 低抗馳高預(yù)應(yīng)力鋼鉸線 , 長 7 1 3m 。采用< 6 1 5mm 鋼筋焊接的鋼筋網(wǎng)護(hù)頂。

(2) 井下支護(hù)效果 　錨桿支護(hù)實(shí)施于井下后 ,對試驗巷道進(jìn)行了礦壓監(jiān)測。原有錨桿支護(hù)兩幫移近量 , 頂?shù)装逡平?、頂板下沉量、底鼓量、頂板離層等指標(biāo)都比較大 , 嚴(yán)重影響了正常的安全生產(chǎn) , 并且需要不斷地維修和維護(hù) ; 采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù) , 巷道兩幫移近量、頂?shù)装逡平俊㈨敯逑鲁亮?、底鼓量、頂板離層等指標(biāo)明顯降低 , 巷道支護(hù)效果得到明顯改善。原支護(hù)巷道不僅變形大 , 而且圍巖破碎 ; 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定 , 使得巷道支護(hù)狀況發(fā)生了本質(zhì)的改變。可見 , 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)有效控制了復(fù)雜巷道圍巖強(qiáng)烈變形 , 為復(fù)雜困難巷道提供了有效的支護(hù)方式。

4 　結(jié)論

(1) 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)對于復(fù)雜困難巷道的主要作用在于 : 有效控制巷道圍巖結(jié)構(gòu)的完整性 , 最大程度減少有害變形的產(chǎn)生與發(fā)展 ; 支護(hù)系統(tǒng)的高強(qiáng)度、高剛度及足夠的延伸率能夠適應(yīng)圍巖變形特性 , 保證圍巖的強(qiáng)度、剛度。

(2) 高預(yù)應(yīng)力及其有效擴(kuò)散是高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)發(fā)揮其作用的關(guān)鍵。錨桿托板、鋼帶與金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件性能與強(qiáng)力錨桿相匹配 , 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)在水簾洞煤礦巷道中的應(yīng)用是成功的 , 巷道圍巖變形顯著降低 , 巷道支護(hù)狀況發(fā)生了本質(zhì)的改變 , 為水簾洞礦復(fù)雜困難巷道支護(hù)提供了參考。