李 琳

(彬縣水簾洞煤炭有限責任公司,陜西咸陽 713500)

高預應力強力支護技術(shù)現(xiàn)場應用研究

李 琳

(彬縣水簾洞煤炭有限責任公司,陜西咸陽 713500)

Application of Supporting Technology of Anchored Bolt with High Pre-stress and High Strength

高預應力強力支護能夠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,往往一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞。通過現(xiàn)場應用表明:采用高預應力強力支護技術(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。

高預應力;強力支護;巷道變形與破壞

煤礦巷道支護經(jīng)歷了木支護、砌碹支護、型鋼支護到錨桿支護的漫長過程。錨桿支護經(jīng)歷了從低強度、高強度到高預應力、強力支護的發(fā)展過程[1-3]。早期的錨桿主要是機械錨固錨桿、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。這些錨桿支護強度與剛度低,支護原理上仍屬于被動支護。

近年來,為解決復雜困難巷道支護難題,一些學者提出并開發(fā)了高預應力、強力錨桿支護技術(shù)[4]。該技術(shù)不僅重視錨桿的強度,更重視支護系統(tǒng)的剛度,特別是錨桿預應力的重要性,真正實現(xiàn)了錨桿的主動、及時支護,充分發(fā)揮了錨桿的主動支護作用,大幅度減少了巷道圍巖變形與破壞,巷道支護與安全狀況發(fā)生了本質(zhì)改變。同時,實現(xiàn)了高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度的“三高一低”的現(xiàn)代錨桿支護設(shè)計理念,在保證支護效果的前提下,同時顯著提高了巷道掘進速度與工效。

1 高預應力強力支護理論

(1)高預應力強力錨桿支護主要作用在于: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[5];另一方面,高預應力強力錨桿支護系統(tǒng)能夠保證錨桿、錨索的錨固力有效擴散到圍巖結(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體的承載能力,那么后期錨桿、錨索的補強作用將很難有效遏制圍巖體產(chǎn)生諸多的有害變形,嚴重影響巷道的支護效果。

(2)高預應力強力支護系統(tǒng)保證高預應力及其有效地擴散將對支護效果起到至關(guān)重要的作用[6]。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)的支護體,使預應力有效地擴散到巷道的整個支護結(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[7]。能夠提供高預應力、高剛度是高預應力強力錨桿支護系統(tǒng)成功的關(guān)鍵,這種支護系統(tǒng)能夠提供的剛度往往達到或者超過了所要求的支護剛度,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)高預應力強力錨桿支護系統(tǒng)具有足夠的延伸率,能適應巷道開挖初期圍巖產(chǎn)生的連續(xù)變形[8-9],同時能使圍巖中由于巷道開挖產(chǎn)生的集中應力得以釋放,減小支護難度,使支護系統(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)對于復雜條件的巷道,應盡量采用高預應力強力支護系統(tǒng),可做到一次支護就能有效控制圍巖結(jié)構(gòu)的變形與破壞,從而避免多次支護補強和巷道維修。

2 高預應力強力支護系統(tǒng)

高預應力強力支護系統(tǒng)包括強力錨桿、強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[5]。

2.1 強力錨桿

強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)計的各項準則,是理想的錨桿桿體。用BHRB500,BHRB600(公稱直徑均為 22～25 mm)型號的鋼材生產(chǎn)的強力錨桿桿體的屈服強度可達 500MPa,600MPa,抗拉強度可達 670MPa, 800MPa,延伸率均為 18%。

2.2 錨桿附件

錨桿附件采用與強力錨桿力學性能及所需預應力等參數(shù)相配套的托板、螺母。為使扭矩能夠有效提升錨固預應力,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)化為錨固預緊力。

2.3 強力鋼帶

鋼帶是高預應力強力支護系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,對提高錨桿支護整體支護效果、保持圍巖的完整性起著關(guān)鍵作用。

(1)鋼帶可擴大錨桿作用范圍,實現(xiàn)錨桿預應力和工作阻力擴散,使載荷趨于均勻。可均衡錨桿受力,共同形成組合支護系統(tǒng),提高整體支護能力。

(2)支護巷道表面和改善圍巖應力狀態(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,改善巖層應力狀態(tài),防止錨桿間松動巖塊掉落。

鋼帶應與強力錨桿力學性能、圍巖體整體強度、剛度相匹配。

2.4 強力錨索

高預應力強力支護系統(tǒng)采用大直徑、高噸位的強力錨索,其結(jié)構(gòu)采用 19根鋼絲的高強強力鋼絞線,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),使其支護能力得到了充分的發(fā)揮。

3 現(xiàn)場應用

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)力學測試結(jié)果,水簾洞煤礦 3個測站最大水平主應力最大為 13.99MPa,最小水平主應力最大為 7.36MPa,垂直主應力最大為8.88MPa,最小為 7.47MPa。屬于中等應力值區(qū),在所測試區(qū)域沒有大的構(gòu)造,地質(zhì)條件較為簡單,最大水平主應力方向一致性較好。應力場類型總體上為σH>σv>σh,以構(gòu)造應力為主。

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 0.58～19.38m,平均 12.20m。煤厚穩(wěn)定,一般有 2層夾矸,結(jié)構(gòu)簡單。根據(jù)地質(zhì)力學測試結(jié)果,煤體強度大部分集中在 16～23MPa,平均強度 20.49MPa;煤層偽頂多為灰黑色炭質(zhì)泥巖,零星分布,厚度 0.5m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 0.87～3.51m,易冒落,為半堅硬不穩(wěn)定頂板,強度主要集中在 30～60MPa,平均強度為 40.17MPa?；卷敹酁榛野咨写至Ｉ皫r,平均厚度 3.0m,局部為細砂巖或粉砂巖,為半堅硬較穩(wěn)定頂板 -穩(wěn)定頂板,強度較高,主要集中在80～100MPa,平均強度為 92.31MPa。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 2.14～6.75m,屬軟弱巖層,遇水易膨脹,產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。

3.2 巷道支護現(xiàn)狀及存在問題分析

(1)原有的錨桿支護設(shè)計未采用科學的設(shè)計方法,致使巷道支護強度普遍過高,支護密度過大,但支護效果并不理想,增加了支護成本,制約了掘進速度,巷道安全無法保障。

(2)錨桿支護材料落后,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,并且不容易填實錨固端桿體與孔壁之間的剩余空間,使黏結(jié)強度大大降低;其次,全螺紋等強錨桿螺紋螺距大,螺母易松動,預緊力損失大。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,嚴重影響支護效果。

(3)錨桿支護系統(tǒng)的剛度不足。錨桿預應力小,預應力擴散效應差,支護剛度低,致使錨桿主動支護作用不能發(fā)揮,實質(zhì)上是被動支護,不能有效控制煤巖體早期離層與破壞,煤巖體強度與完整性喪失過大,導致頂板下沉、兩幫鼓出。

(4)護表構(gòu)件不合理。針對松散破碎煤巖體,應采用高強度、高剛度、護表面積大的護表構(gòu)件,確保錨桿預應力有效擴散和良好的護幫護頂效果。

3.3 高預應力強力錨桿支護系統(tǒng)試驗

(1)錨桿支護設(shè)計 “水簾洞煤礦機軌合一上山”頂板高預應力、強力錨桿組合支護 (錨桿支護布置如圖 1所示)錨桿為 400號 <22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋,長度 2.4m,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<17.8mm低抗馳高預應力鋼鉸線,長 7.3m。采用<6.5mm鋼筋焊接的鋼筋網(wǎng)護頂。

圖1 機軌合一上山錨桿支護布置

(2)井下支護效果 錨桿支護實施于井下后,對試驗巷道進行了礦壓監(jiān)測。原有錨桿支護兩幫移近量,頂?shù)装逡平?、頂板下沉量、底鼓量、頂板離層等指標都比較大,嚴重影響了正常的安全生產(chǎn),并且需要不斷地維修和維護;采用高預應力強力錨桿支護,巷道兩幫移近量、頂?shù)装逡平?、頂板下沉量、底鼓量、頂板離層等指標明顯降低,巷道支護效果得到明顯改善。原支護巷道不僅變形大,而且圍巖破碎;高預應力強力錨桿支護巷道圍巖結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定,使得巷道支護狀況發(fā)生了本質(zhì)的改變?？梢?高預應力強力錨桿支護有效控制了復雜巷道圍巖強烈變形,為復雜困難巷道提供了有效的支護方式。

4 結(jié)論

(1)高預應力強力錨桿支護對于復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;支護系統(tǒng)的高強度、高剛度及足夠的延伸率能夠適應圍巖變形特性,保證圍巖的強度、剛度。

(2)高預應力及其有效擴散是高預應力強力錨桿支護發(fā)揮其作用的關(guān)鍵。錨桿托板、鋼帶與金屬網(wǎng)等護表構(gòu)件性能與強力錨桿相匹配,在預應力支護系統(tǒng)中發(fā)揮極其重要的作用。

(3)高預應力強力支護系統(tǒng)在水簾洞煤礦巷道中的應用是成功的,巷道圍巖變形顯著降低,巷道支護狀況發(fā)生了本質(zhì)的改變,為水簾洞礦復雜困難巷道支護提供了參考。

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[責任編輯:王興庫]

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1006-6225(2010)06-0051-03

2010-07-27

李 琳 (1967-),男,山東肥城人,高級工程師,從事煤礦生產(chǎn)及管理方面的工作。