馬長(zhǎng)樂(lè)，吳擁政，何 杰

（1.潞安礦業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司余吾煤業(yè)，山西長(zhǎng)治046032;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

預(yù)應(yīng)力損失對(duì)高預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)技術(shù)的影響

馬長(zhǎng)樂(lè)1，吳擁政2，何 杰2

（1.潞安礦業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司余吾煤業(yè)，山西長(zhǎng)治046032;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

針對(duì)余吾煤業(yè)全斷面強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)應(yīng)用中預(yù)應(yīng)力損失問(wèn)題，借助有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序FLAC，模擬研究了不同錨索預(yù)應(yīng)力下圍巖應(yīng)力分布特征和支護(hù)效果，探討了影響預(yù)應(yīng)力損失因素。依據(jù)井下具體工程環(huán)境，統(tǒng)計(jì)分析了預(yù)應(yīng)力損失范圍一般為20%～25%，提出采用超張拉25%彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力損失，并在井下全斷面強(qiáng)力錨索支護(hù)中應(yīng)用試驗(yàn)。實(shí)踐結(jié)果表明:預(yù)應(yīng)力的損失嚴(yán)重減弱了全斷面強(qiáng)力錨索支護(hù)效果，采用超張拉技術(shù)后，設(shè)計(jì)的支護(hù)方案能有效地控制圍巖變形。

預(yù)應(yīng)力損失;高預(yù)應(yīng)力;全斷面;強(qiáng)力錨索支護(hù);超張拉

預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)是一種先進(jìn)的巖土加固技術(shù)，特別是對(duì)圍巖軟弱、薄弱的部位，采用高預(yù)應(yīng)力全斷面錨索支護(hù)技術(shù)，由于預(yù)緊力大幅度提高，支護(hù)效果非常明顯。在山西陽(yáng)泉三礦、平煤十一礦、潞安常村煤礦和漳村煤礦，預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)技術(shù)有效地控制了巷道圍巖的變形與破壞［1］，保證了巷道安全使用。但錨索預(yù)應(yīng)力受很多因素的影響，往往會(huì)產(chǎn)生一定的損失。損失程度的大小不僅影響錨索的加固效果和耐久性，同時(shí)也關(guān)系到工程的穩(wěn)定性和安全性。由于煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性和礦山工程的特殊性，不同煤礦不同地質(zhì)條件下引起錨索預(yù)應(yīng)力損失的因素以及損失程度都不一樣，國(guó)內(nèi)外對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失問(wèn)題做了一定研究［2－3］，但對(duì)煤礦用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力損失問(wèn)題研究的較少。因此，本文針對(duì)余吾煤業(yè)南翼進(jìn)風(fēng)大巷中高預(yù)應(yīng)力全斷面錨索支護(hù)技術(shù)應(yīng)用中預(yù)應(yīng)力損失對(duì)巷道支護(hù)影響進(jìn)行研究。

1 預(yù)應(yīng)力分布特征及支護(hù)效果分析

為了研究不同預(yù)應(yīng)力條件下全錨索支護(hù)巷道變形的影響，采用數(shù)值模擬軟件FLAC，根據(jù)進(jìn)風(fēng)大巷圍巖條件，建立數(shù)值模型，模擬錨索預(yù)應(yīng)力從50kN到300kN（間隔50kN）形成的應(yīng)力場(chǎng)分布。圖1和圖2分別是預(yù)應(yīng)力為50kN和200kN預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布。由數(shù)值模擬結(jié)果可知:

圖1 預(yù)應(yīng)力為50kN時(shí)應(yīng)力分布狀況

（1）錨索尾部附近出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著預(yù)應(yīng)力值的增加，壓應(yīng)力集中增加。當(dāng)預(yù)應(yīng)力為50kN時(shí)，最大壓應(yīng)力達(dá)0.18MPa。預(yù)應(yīng)力為200kN時(shí)，最大壓應(yīng)力達(dá)0.72MPa。

（2）在錨索錨固起始端也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著預(yù)應(yīng)力值增大，應(yīng)力集中程度與范圍也在增加，并在錨索錨固端出現(xiàn)了較大范圍拉應(yīng)力區(qū)，但總體應(yīng)力值很小。

（3）隨著應(yīng)力值增加，預(yù)應(yīng)力引起壓應(yīng)力范圍增加，在錨索之間、錨索自由段長(zhǎng)度范圍內(nèi)，形成了相互連接成一片的、疊加的有效壓應(yīng)力區(qū)。有效壓應(yīng)力區(qū)相互連接、重疊，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，錨索對(duì)其間的圍巖有較明顯的支護(hù)作用。

圖2 預(yù)應(yīng)力為200kN時(shí)應(yīng)力分布狀況

2 預(yù)應(yīng)力損失分析

在高預(yù)應(yīng)力全斷面強(qiáng)力錨索支護(hù)系統(tǒng)中，錨索初始預(yù)緊力對(duì)支護(hù)系統(tǒng)起著決定性作用［4］，而預(yù)應(yīng)力的損失嚴(yán)重降低了錨索對(duì)圍巖控制作用。影響預(yù)緊力損失因素很多，主要包括張拉鎖定過(guò)程損失、錨索松弛、煤巖體壓縮蠕變、水和溫度、動(dòng)載荷影響、孔道摩擦、群錨效應(yīng)以及施工質(zhì)量等［5］。為了科學(xué)設(shè)計(jì)全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)方案，選取井下南二2號(hào)回風(fēng)下山、S1206回風(fēng)巷和S2206回風(fēng)巷進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，不同地質(zhì)條件下錨索預(yù)緊力程度不一樣，就余吾煤業(yè)井下而言，隨著預(yù)緊力提高，預(yù)緊力損失不斷減小，預(yù)緊力為250kN時(shí)，南二2號(hào)回風(fēng)下山、S1206回風(fēng)巷和S2206回風(fēng)巷預(yù)緊力損失率分別為31.6%，24.8%和23%，南二2號(hào)回風(fēng)下山測(cè)試段圍巖比較破碎，預(yù)應(yīng)力損失量較大;對(duì)固定的錨索張拉機(jī)具而言，圍巖相對(duì)完整時(shí)，損失范圍為20% ～25%，可見(jiàn)采用超張拉25%預(yù)緊力可以彌補(bǔ)損失量。

3 試驗(yàn)地點(diǎn)地質(zhì)與生產(chǎn)條件

南翼進(jìn)風(fēng)大巷北側(cè)位于F95正斷層影響區(qū);西面為實(shí)體煤;東面為南翼膠帶大巷、S1204工作面及S1205設(shè)計(jì)工作面，南翼進(jìn)風(fēng)大巷設(shè)計(jì)斷面為矩形，寬5.4m，高4.0m，沿3號(hào)煤頂板掘進(jìn)，3號(hào)煤沿巷道掘進(jìn)方向傾角－4～4°，平均傾角±2°，煤層松軟、厚度穩(wěn)定，平均厚5.57m。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，該位置附近最大水平主應(yīng)力為9.15MPa，最小水平主應(yīng)力為4.97MPa，垂直主應(yīng)力為11.26MPa。頂?shù)装鍘r層狀況見(jiàn)表1。

表1 南翼進(jìn)風(fēng)大巷頂?shù)装鍑鷰r狀況

4 全斷面錨索支護(hù)設(shè)計(jì)方案

基于強(qiáng)力錨桿支護(hù)理論［6］，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析，結(jié)合預(yù)應(yīng)力損失研究結(jié)果，針對(duì)南翼進(jìn)風(fēng)大巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，確定采用高預(yù)應(yīng)力全斷面強(qiáng)力錨索支護(hù)系統(tǒng)，支護(hù)參數(shù):錨索材料為φ22mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，延伸率7%，長(zhǎng)度4300mm，鉆孔直徑30mm，采用1支K2330和2支Z2360樹(shù)脂藥卷錨固，錨固長(zhǎng)度1800mm;錨索托盤(pán)采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，承載能力大于600kN;頂板錨索間距1200mm;幫錨索間距1100mm，排距1200mm，頂板錨索預(yù)緊力初次張拉達(dá)到300kN，預(yù)應(yīng)力損失后達(dá)到250kN，幫部錨索初次張拉達(dá)到250kN，預(yù)應(yīng)力損失完成后達(dá)到200kN。南翼進(jìn)風(fēng)大巷全斷面錨索支護(hù)布置見(jiàn)圖4。

5 巷道支護(hù)效果比較分析

為檢驗(yàn)全斷面錨索巷道支護(hù)效果，并分析不同張拉力條件下錨索受力變化特征、預(yù)應(yīng)力大小和巷道變形關(guān)系，在巷道掘進(jìn)至30m和80m分別布置1個(gè)礦壓綜合觀測(cè)站，對(duì)巷道表面位移、錨桿和錨索受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中一測(cè)站是不考慮預(yù)應(yīng)力損失下錨索受力變化和巷道變形情況，如圖5和圖6，二測(cè)站是考慮預(yù)應(yīng)力損失并實(shí)施超張拉情況下錨索受力和巷道變形，如圖7和圖8。

圖3 井下預(yù)應(yīng)力損失變化曲線

圖4 南翼進(jìn)風(fēng)大巷全斷面錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

圖5 未超張拉下巷道表面位移變化曲線

圖6 未超張拉下錨索受力變化曲線

圖7 超張拉下巷道表面位移變化曲線

從兩個(gè)測(cè)站表面位移曲線來(lái)看，巷道的變形隨著開(kāi)挖時(shí)間逐漸增大，一周內(nèi)增加幅度較大，一測(cè)站頂?shù)装宓淖畲笠平繛?6mm，兩幫的最大移近量68mm，巷道穩(wěn)定歷時(shí)2個(gè)月;二測(cè)站頂板最大變形30mm，兩幫最大移近42mm，巷道穩(wěn)定周期短。比較兩種情況下錨索受力可以看出，未超張拉情況下，錨索初始預(yù)應(yīng)力損失后達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，錨索受力變化大，增幅高，尤其是頂板，錨索整體受力不均衡，幫部錨索最終受力最大為186.10kN，幫部錨索初始預(yù)緊力為200kN，損失后為160kN，頂部錨索最終受力最小值為448.0kN，最大為464.64kN，平均為456.32kN，頂錨索受力平均增加231.31kN，增幅為102.8%。超張拉情況下，錨索預(yù)應(yīng)力損失后基本達(dá)到設(shè)計(jì)值，頂板和幫部錨索受力變化小，增幅小。幫錨索最終受力最小值為190.85kN，最大為 250.89kN，平均增幅約24.52%;頂部錨索最終受力最小值為308.90kN，最大為417.69kN，平均為348.75kN，頂錨索受力平均增加100.15kN，增幅為28.72%，錨索整體受力均衡。

綜合分析可知，頂板離層以及錨索受力變化趨勢(shì)基本一致。巷道變形及穩(wěn)定與錨索初始預(yù)緊力有密切的關(guān)系，錨索初始預(yù)緊力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，錨索最終受力大，增幅大，且巷道變形量大，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，反之，受力小，增幅小，巷道變形量小，巷道趨于穩(wěn)定的時(shí)間短。目前主要通過(guò)使用大噸位張拉機(jī)具，進(jìn)行錨索超張拉來(lái)保證高預(yù)應(yīng)力全斷面強(qiáng)力錨索支護(hù)效果。

圖8 超張拉下錨索受力變化曲線

6 結(jié)論

（1）高預(yù)應(yīng)力是全斷面錨索支護(hù)巷道中至關(guān)重要的影響因素，模擬研究了不同錨索預(yù)應(yīng)力條件下圍巖應(yīng)力分布特征及支護(hù)效果，并針對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)分析得出井下錨索預(yù)應(yīng)力損失范圍一般為20%～25%。

（2）依據(jù)井下具體工程環(huán)境，基于強(qiáng)力支護(hù)理論，結(jié)合錨索預(yù)應(yīng)力損失分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)方案。

（3）井下工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，考慮錨索預(yù)應(yīng)力損失因素，采用超張拉25%預(yù)緊力后，文中設(shè)計(jì)的支護(hù)方案能有效地控制巷道圍巖變形。

（4）分析巷道變形和錨索受力關(guān)系可知:預(yù)應(yīng)力的損失嚴(yán)重削弱了高預(yù)應(yīng)力全斷面強(qiáng)力錨索支護(hù)效果，在要求施加錨索預(yù)應(yīng)力范圍內(nèi)，錨索預(yù)應(yīng)力提高，錨索最終受力減小，受力增幅降低，巷道整體支護(hù)效果好。

［1］康紅普，王金華，林 健.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 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（12）.

［2］林 健，康紅普.煤礦錨索預(yù)緊應(yīng)力損失原因分析及解決途徑 ［J］.煤礦開(kāi)采，2008，13（6）:6－8.

［3］余開(kāi)彪，程凱兵，楊明亮 .預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力損失研究 ［J］.巖土力學(xué)，2006，26（S）:159－162.

［4］康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng) .預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（7）:673－678.

［5］褚曉威.小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力損失機(jī)理及試驗(yàn)研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2010.

［6］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù) ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

Influence of Pre-stress Lose on Anchored Cable Supporting with High Pre-stress

MA Chang-le1，WU Yong-zheng2，HE Jie2
（1.Yuwu Coal，Lu＇an Mining（Group）Co.，Ltd，Changzhi 046032，China;
2.Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

For the problem of pre-stress lose of whole-section consolidated anchored cable supporting in Yuwu Coal，applying FLAC to simulating stress distribution characteristic and supporting effect under different pre-stresses of anchored cable.Pre-stress lose was usually 20%-25%.It was put forward that pre-stress was compensated by super tension 25%.Underground practice showed that pre-stress lose seriously weakened whole-section consolidated anchored cable supporting effect and super tension technology could effectively control deformation of surrounding rock.

pre-stress lose;high pre-stress;whole section;consolidated anchored cable supporting;super tension

TD353

A

1006-6225（2012）02-0061-03

2011－10－14

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目 （2008BAB36B07）

馬長(zhǎng)樂(lè) （1975－），男，安徽霍邱人，工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

［責(zé)任編輯:鄒正立］

巷道支護(hù)理論與技術(shù)