高預(yù)應(yīng)力強力支護系統(tǒng)在王坡煤礦的應(yīng)用

　　王坡煤礦隨著礦井產(chǎn)量的提高 , 開采強度和巷道斷面逐漸增大 , 回采巷道受到的采動影響相比以前更為劇烈。由于支護系統(tǒng)強度偏低 , 在受到劇烈采動和地質(zhì)構(gòu)造影響的局部地段 , 巷道變形比較嚴重。根據(jù)統(tǒng)計 , 變形最為嚴重的地段 , 頂?shù)装逡平拷咏?1m, 兩幫移近量接近 2m, 雖然基本沒有影響到安全生產(chǎn) , 卻埋下了安全隱患。

1 　高預(yù)應(yīng)力強力支護理論

　　針對大斷面及復(fù)雜困難巷道條件 , 在理論分析、數(shù)值模擬及井下試驗成果的基礎(chǔ)上 , 提出高預(yù)應(yīng)力、強力支護理論 , 其要點是 :(1) 巷道圍巖變形 　主要包括 2 部分 : 第一部分是不連續(xù)變形 , 是巷道圍巖受力狀態(tài)發(fā)生變化

后 , 原有的裂隙進一步張開和新的裂隙的產(chǎn)生等破壞性變形 ; 第二部分是連續(xù)變形 , 是巷道圍巖體的彈性變形、塑性變形以及巷道頂板和兩幫的整體變形。含有原生裂隙的巷道圍巖強度一般比較低 , 承載能力較小 , 所以巷道形成以后 , 先會發(fā)生裂隙張開等破壞性變形 , 后發(fā)生巷道圍巖的彈性變形、塑性變形等非破壞性變形。理想的巷道支護設(shè)計是 ,在巷道掘進期間 , 通過大幅度提高錨桿支護系統(tǒng)的支護剛度與強度 , 一次性控制住巷道的頂板下沉和兩幫位移 , 阻止巷道頂板和兩幫圍巖內(nèi)裂隙的張開和新裂隙的產(chǎn)生 , 在抑制巷道圍巖發(fā)生破壞性變形的同時允許巷道圍巖釋放一部分過高的應(yīng)力。高預(yù)應(yīng)力強力錨桿支護理論與傳統(tǒng)的先允許巷道發(fā)生部分變形 , 再進行加強支護的支護理念相比 , 其要求在一開始就要控制住巷道的變形 , 新的支護理念概括起來是 “先剛后柔再剛、先抗后讓再抗 ” , 盡量保持巷道頂板和兩幫圍巖的完整性 , 最大限度地減少巷道頂板和兩幫圍巖強度的衰減。

(2) 高預(yù)應(yīng)力強力錨桿支護的主要作用

　　控制巷道頂板和兩幫圍巖體錨固范圍內(nèi)原有裂隙的張開、位移以及產(chǎn)生新的裂隙等破壞性變形 , 巷道沒有開挖之前 , 巷道圍巖體處于受壓狀態(tài) , 高預(yù)應(yīng)力強力錨桿支護就是要使巷道頂板和兩幫圍巖處于受壓狀態(tài) , 控制巷道頂板和兩幫圍巖破壞性變形的出現(xiàn) , 使巷道頂板和兩幫圍巖自身成為承載的主體。在錨桿錨索錨固范圍內(nèi)形成一個高強度、高剛度的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu) , 對深部圍巖體也起到了很好地控

制作用。

(3) 預(yù)應(yīng)力及其擴散對錨桿支護效果

　根據(jù)巷道圍巖條件確定一個合理的預(yù)應(yīng)力 , 并將預(yù)應(yīng)力擴散到更遠的巷道圍巖中是一個設(shè)計成功的關(guān)鍵。錨桿沒有預(yù)應(yīng)力相當于沒有支護 , 而且還破壞了巷道圍巖的完整性 , 預(yù)應(yīng)力偏低屬于被動支護 , 也無法控制巷道圍巖的變形。對于巷道頂板和兩幫圍巖體的表面 , 很小的支護力對控制巷道圍巖的變形與破壞也非常明顯。單根錨桿作用的范圍很小 , 必須要通過錨桿托盤、鋼帶和網(wǎng)片等護表構(gòu)件將錨桿的預(yù)應(yīng)力擴散到更遠的巷道圍巖中 , 和其他錨桿錨索一起形成一個連接、重疊、有效的壓應(yīng)力區(qū)。因此 , 護表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護系統(tǒng)中的作用不容忽視。

(4) 預(yù)應(yīng)力錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護剛度

　臨界支護剛度就是使支護系統(tǒng)錨固范圍內(nèi)不產(chǎn)生明顯變形破壞所需要支護系統(tǒng)提供的剛度。影響支護剛度的關(guān)鍵因素是錨桿預(yù)應(yīng)力 , 研究證明 , 當錨桿預(yù)應(yīng)力達到 70kN 時 , 基本上可以阻止巷道頂板的下沉 , 保持巷道圍巖的完整性。對于大斷面及復(fù)雜困難巷道 , 應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強力錨桿錨索組合支護系統(tǒng) , 盡量 1 次支護就能有效控制圍巖變形與破壞 , 避免 2 次支護和維修。巷道基本地質(zhì)與生產(chǎn)條件王坡煤礦 3 號煤層頂?shù)装鍘r性如表 1 。王坡煤礦工作面巷道為矩形 , 掘進寬度為 4 1 5m, 高度為3 1 1m, 沿煤層底板掘進。采用強力錨桿錨索支護

系統(tǒng)以前 , 巷道圍巖破壞深度較大 , 尤其是巷幫 ,部分區(qū)域巷幫破壞深度達到 8m ( 見圖1)。為了確保煤礦的安全生產(chǎn)和巷道的安全使用 , 確定采用高預(yù)應(yīng)力強力錨桿錨索支護系統(tǒng)支護巷道。

3 　高預(yù)應(yīng)力強力錨桿錨索支護設(shè)計根據(jù)巷道圍巖條件 , 采用有限差分數(shù)值計算軟件進行了多方案比較 , 最終確定巷道支護形式為 :高預(yù) 應(yīng)力、強 力 錨 桿 錨 索 組合 支 護 , 錨 桿 為< 22mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿 , 屈 服強度500MPa 。頂板錨桿長度為 2400mm, 巷幫錨桿長度為 2000mm, 桿尾螺紋為 M24, 極限破斷力超過

250kN 。樹脂加長錨固 , 預(yù)緊力設(shè)計為 70kN 。組合構(gòu)件為 W 鋼帶 , 鋼帶厚度 4mm, 寬 280mm, 并配合高強度拱形錨桿托盤。采用菱形金屬網(wǎng)護頂、護幫 , 錨桿排距 1000mm, 頂板每排 4 根錨桿 , 間距1200mm, 巷幫每排 6 根錨桿 , 間距 1100mm, 巷幫上下部錨桿距頂?shù)装?450mm 。錨索采用 < 22mm 強力錨索 , 破斷力大于 560kN, 延伸率為 7% , 并配合高強度拱形大托盤。頂板每 2 排布置 2 根錨索 ,錨索排距 2000mm, 間距 1500mm, 距巷幫距離1500mm, 樹脂加長錨固 , 預(yù)緊力設(shè)計為 250kN 。

4 　礦壓觀測分析強力錨桿錨索支護系統(tǒng)于 2009 年應(yīng)用于井下 ,為了監(jiān)測巷道支護質(zhì)量 , 進行了巷道表面位移觀測( 圖 2, 圖3)。其中 1 號測站在強力錨桿錨索支護

3 　高預(yù)應(yīng)力強力錨桿錨索支護設(shè)計根據(jù)巷道圍巖條件 , 采用有限差分數(shù)值計算軟件進行了多方案比較 , 最終確定巷道支護形式為 :高預(yù) 應(yīng)力、強 力 錨 桿 錨 索 組合 支 護 , 錨 桿 為< 22mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿 , 屈 服強度500MPa 。頂板錨桿長度為 2400mm, 巷幫錨桿長度為 2000mm, 桿尾螺紋為 M24, 極限破斷力超過

250kN 。樹脂加長錨固 , 預(yù)緊力設(shè)計為 70kN 。組合構(gòu)件為 W 鋼帶 , 鋼帶厚度 4mm, 寬 280mm, 并配合高強度拱形錨桿托盤。采用菱形金屬網(wǎng)護頂、護幫 , 錨桿排距 1000mm, 頂板每排 4 根錨桿 , 間距1200mm, 巷幫每排 6 根錨桿 , 間距 1100mm, 巷幫上下部錨桿距頂?shù)装?450mm 。錨索采用 < 22mm 強力錨索 , 破斷力大于 560kN, 延伸率為 7% , 并配合高強度拱形大托盤。頂板每 2 排布置 2 根錨索 ,錨索排距 2000mm, 間距 1500mm, 距巷幫距離1500mm, 樹脂加長錨固 , 預(yù)緊力設(shè)計為 250kN 。

4 　礦壓觀測分析

　　強力錨桿錨索支護系統(tǒng)于 2009 年應(yīng)用于井下 ,為了監(jiān)測巷道支護質(zhì)量 , 進行了巷道表面位移觀測

( 圖 2, 圖3)。其中 1 號測站在強力錨桿錨索支護系統(tǒng)進行了 200m 位置處 , 2 號測站在 300m 位置處。從表面位移觀測曲線可以看出 , 巷道掘進 1 個月后 , 兩幫位移量不到 25mm, 頂板下沉量小于10mm, 并趨于穩(wěn)定 , 證明強力錨桿錨索支護系統(tǒng)有效地控制了巷道圍巖離層、滑動、裂隙張開以及新裂隙的產(chǎn)生等擴容變形 , 顯著減小了圍巖離層、變形、破壞范圍和松動區(qū)的大小 , 很好地保持了巷道圍巖的穩(wěn)定性和完整性 , 3201 工作面回采期間 ,巷道基本上沒有發(fā)生變化 , 沒有進行維修。

5 　結(jié)論

通過現(xiàn)場勘測和理論分析 , 多倫協(xié)鑫煤礦 Ⅰ采區(qū) 1702- 1 工作面7 號煤層 “底礫區(qū) ”和 “底黏區(qū) ”均可實現(xiàn)頂分層綜放開采 , “底礫區(qū) ”可留設(shè)防砂安全煤巖柱 , “底黏區(qū) ”可留設(shè)防塌安全煤巖柱 ,從而優(yōu)化了采煤方法 , 提高了煤炭的采出率 , 具有比較大的推廣和借鑒意義。