高預應力強力支護系統在王坡煤礦的應用

　　王坡煤礦隨著礦井產量的提高 , 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。由于支護系統強度偏低 , 在受到劇烈采動和地質構造影響的局部地段 , 巷道變形比較嚴重。根據統計 , 變形最為嚴重的地段 , 頂底板移近量接近 1m, 兩幫移近量接近 2m, 雖然基本沒有影響到安全生產 , 卻埋下了安全隱患。

1 　高預應力強力支護理論

　　針對大斷面及復雜困難巷道條件 , 在理論分析、數值模擬及井下試驗成果的基礎上 , 提出高預應力、強力支護理論 , 其要點是 :(1) 巷道圍巖變形 　主要包括 2 部分 : 第一部分是不連續變形 , 是巷道圍巖受力狀態發生變化

后 , 原有的裂隙進一步張開和新的裂隙的產生等破壞性變形 ; 第二部分是連續變形 , 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 , 先會發生裂隙張開等破壞性變形 , 后發生巷道圍巖的彈性變形、塑性變形等非破壞性變形。理想的巷道支護設計是 ,在巷道掘進期間 , 通過大幅度提高錨桿支護系統的支護剛度與強度 , 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裂隙的張開和新裂隙的產生 , 在抑制巷道圍巖發生破壞性變形的同時允許巷道圍巖釋放一部分過高的應力。高預應力強力錨桿支護理論與傳統的先允許巷道發生部分變形 , 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) 高預應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原有裂隙的張開、位移以及產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 , 高預應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 , 控制巷道頂板和兩幫圍巖破壞性變形的出現 , 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形成一個高強度、高剛度的預應力承載結構 , 對深部圍巖體也起到了很好地控

制作用。

(3) 預應力及其擴散對錨桿支護效果

　根據巷道圍巖條件確定一個合理的預應力 , 并將預應力擴散到更遠的巷道圍巖中是一個設計成功的關鍵。錨桿沒有預應力相當于沒有支護 , 而且還破壞了巷道圍巖的完整性 , 預應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、鋼帶和網片等護表構件將錨桿的預應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、有效的壓應力區。因此 , 護表構件在預應力支護系統中的作用不容忽視。

(4) 預應力錨桿支護系統存在臨界支護剛度

　臨界支護剛度就是使支護系統錨固范圍內不產生明顯變形破壞所需要支護系統提供的剛度。影響支護剛度的關鍵因素是錨桿預應力 , 研究證明 , 當錨桿預應力達到 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。對于大斷面及復雜困難巷道 , 應采用高預應力、強力錨桿錨索組合支護系統 , 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。巷道基本地質與生產條件王坡煤礦 3 號煤層頂底板巖性如表 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

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

3 　高預應力強力錨桿錨索支護設計根據巷道圍巖條件 , 采用有限差分數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 應力、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 , 預緊力設計為 70kN 。組合構件為 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底板 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 , 預緊力設計為 250kN 。

4 　礦壓觀測分析強力錨桿錨索支護系統于 2009 年應用于井下 ,為了監測巷道支護質量 , 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 　高預應力強力錨桿錨索支護設計根據巷道圍巖條件 , 采用有限差分數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 應力、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 , 預緊力設計為 70kN 。組合構件為 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底板 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 , 預緊力設計為 250kN 。

4 　礦壓觀測分析

　　強力錨桿錨索支護系統于 2009 年應用于井下 ,為了監測巷道支護質量 , 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, 并趨于穩定 , 證明強力錨桿錨索支護系統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、破壞范圍和松動區的大小 , 很好地保持了巷道圍巖的穩定性和完整性 , 3201 工作面回采期間 ,巷道基本上沒有發生變化 , 沒有進行維修。

5 　結論

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