沙雨勤

【摘要】為解決近距離采空區(qū)下留巷頂板穩(wěn)定問題，提出了頂板預(yù)應(yīng)力控制思想和離層控制理論，并形成了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)及配套產(chǎn)品，本文對此進(jìn)行了簡要介紹。

【關(guān)鍵詞】近距離煤層；頂板穩(wěn)定；高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力

老母坡煤礦2#、3#煤層的埋藏深度在200m左右，3#煤層位于2#煤層下方2.20～9.97m，平均7.57m，屬于近距離煤層。開采3#煤層時(shí)，采用沿空留巷技術(shù)。為使留巷成功，3#煤層巷道掘進(jìn)時(shí)，必須采用科學(xué)可靠的支護(hù)體系，確保巷道頂板的穩(wěn)定并控制圍巖的變形量。為此，在懸吊理論、組合梁（拱）理論、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論等理論基礎(chǔ)上，針對老母坡煤礦近距離采空區(qū)下留巷地質(zhì)條件，提出了頂板預(yù)應(yīng)力控制思想和離層控制理論，并形成了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)及配套產(chǎn)品，本文將對此做簡要介紹。

傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)為低強(qiáng)度、低初錨力的支護(hù)系統(tǒng)，而煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)強(qiáng)調(diào)的則是高強(qiáng)度、低初錨力。其原理是在安裝時(shí)依靠錨桿對頂板弱面實(shí)現(xiàn)有效約束，施加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力消除頂板離層，是一種高強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中所敘述的錨桿預(yù)拉力與初錨力概念的不同，二者雖然都是錨桿初始徑向作用力，但錨桿預(yù)拉力更大，超過頂板松動巖層的自重，而且依靠較高的錨桿預(yù)拉力能夠使圍巖與錨桿形成統(tǒng)一的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。從高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力的思路出發(fā)，近幾年發(fā)展了很多新型支護(hù)手段，同時(shí)大扭矩鉆機(jī)也得到了大力的開發(fā)和推廣，為主動支護(hù)的實(shí)現(xiàn)提供了更為廣泛的技術(shù)支持，也克服了高強(qiáng)錨桿支護(hù)使用中存在的主要安全和技術(shù)缺陷。目前老母坡煤礦實(shí)施的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)分為高性能預(yù)拉力錨桿支護(hù)技術(shù)、小孔徑鋼絞線預(yù)拉力錨索梁技術(shù)和高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)三種類型，筆者將分別進(jìn)行介紹。

1.高性能預(yù)拉力錨桿支護(hù)技術(shù)

高性能預(yù)拉力錨桿支護(hù)技術(shù)能夠讓圍巖與支護(hù)構(gòu)件形成統(tǒng)一的承載體，消除圍巖弱面并控制頂板離層。為實(shí)現(xiàn)高性能、高預(yù)拉力，除了要開發(fā)新型的高性能預(yù)拉力錨桿，也必須研制與其相適應(yīng)的護(hù)表構(gòu)件。本系統(tǒng)中相配套的是新型M型鋼帶，并結(jié)合錨網(wǎng)形成錨帶網(wǎng)的支護(hù)形式。

1.1新型高性能預(yù)拉力錨桿

目前，我國的錨桿和使用中仍存在諸多問題，包括錨桿體的材質(zhì)，護(hù)表構(gòu)件的加工和安裝，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)錨桿預(yù)拉力的夾具的研制等，針對這些問題，我礦對于新型高性能預(yù)拉力錨桿的技術(shù)指標(biāo)和加工提出了6個(gè)方面的要求，具體如下：

（1）為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高延伸率，錨桿桿體采用20MnSi無縱筋左旋螺紋鋼加工而成，除了強(qiáng)度和延伸率性能滿足條件外，鋼筋表面固有凸紋，制作桿體時(shí)可以一次成型，也能滿足阻力和錨固的要求；

（2）為使護(hù)表構(gòu)件（螺母、托盤、鋼帶等）的強(qiáng)度與桿體相匹配，采用等強(qiáng)度或增強(qiáng)加工新工藝，實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件的尺寸和強(qiáng)度相當(dāng)；

（3）為改善錨桿外端部螺母的受力狀態(tài)，安裝時(shí)采用雙重墊圈，其中一個(gè)采用尼龍墊圈，作用是減小螺母與托盤間的阻力，更好的施加預(yù)拉力，另一個(gè)采用凹形墊圈，其作用是調(diào)整桿體端部的受力狀態(tài)；

（4）為實(shí)現(xiàn)扭矩螺母的快速安裝，采用新型的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)；

（5）錨桿預(yù)拉力的大小及施工質(zhì)量，可以通過墊圈的變形程度及狀態(tài)進(jìn)行直觀監(jiān)測；

（6）為適應(yīng)高強(qiáng)度、高延伸率的桿體的性能要求，研發(fā)了相配套的新型附件，包括M型托盤配套頂板M型鋼帶、槽型托盤配套幫用的Π型輕型帶鋼等，這些附件不但性能優(yōu)越，可以改善錨桿整體的受力情況，而且用料更省，分為多種系列，各系列規(guī)格不同，可以滿足不同施工條件的要求。

此種錨桿最突出的性能是可以實(shí)現(xiàn)高預(yù)拉力，因此可以稱其為高性能預(yù)拉力錨桿，幾種典型的成品如圖1所示。與傳統(tǒng)的高強(qiáng)錨桿相比，其性能優(yōu)勢主要有兩個(gè)方面：

圖1 幾種新型的高性能預(yù)拉力錨桿

（1）單套高性能預(yù)拉力錨桿破斷力180kN以上，預(yù)拉力可以達(dá)到20～30kN；初始支護(hù)強(qiáng)度能夠達(dá)到30～45kN/m2，在合理的施工條件下，即施工循環(huán)短、支護(hù)及時(shí)的條件下，能夠超過松動巖體的重量，消除圍巖弱面及頂板離層。因此，此類錨桿的可靠性更高。

（2）新型的扭矩螺母機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)錨桿的快速安裝，雙墊圈可以在減小螺母與托盤間的摩擦力的同時(shí)保證高強(qiáng)度的預(yù)拉力，而且根據(jù)墊圈的變形狀態(tài)和變形程度可以直觀判斷施工質(zhì)量，便于現(xiàn)場的施工管理。

1.2新型M型鋼帶

新型M型鋼帶，如圖2所示，與國外普遍采用并在我國廣泛推廣的W型鋼帶相比，該鋼帶具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①其抗彎截面模量為W型鋼帶的3倍左右；②高翼緣形斷面，抗撕裂性好，解決了W型鋼帶在高低壓煤巷使用容易撕裂的缺陷；③兩個(gè)方向的截面模量差別大，向下截面模量是向上的2.75倍，因此很容易與頂板密貼，同時(shí)向下截面模量很大，能有效控制錨桿間的圍巖松動，維持頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)效應(yīng)。通過調(diào)整厚度，M型鋼帶已形成系列產(chǎn)品，可以適應(yīng)不同地質(zhì)條件、不同支護(hù)強(qiáng)度的要求。

2.小孔徑鋼絞線預(yù)拉力錨索梁技術(shù)

鋼絞線的優(yōu)點(diǎn)是可以不受巷道高度和尺寸的限制，而且延伸率變化較大，采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)具能夠?qū)崿F(xiàn)50～150kN范圍預(yù)緊力的自由調(diào)節(jié)，能夠充分調(diào)動深部圍巖的主動承載性，實(shí)現(xiàn)承載體的統(tǒng)一及高強(qiáng)行，因此小孔徑鋼絞線預(yù)拉力錨索在煤巷中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

圖2 M型鋼帶

老母坡煤礦在原有的小孔徑預(yù)拉力錨索基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了預(yù)拉力錨索梁技術(shù)、雙斜拉錨索技術(shù)和幫部錨索加固技術(shù)，確保錨固范圍的同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的預(yù)張力和錨索布置方式，拓寬了頂板控制的技術(shù)手段。

當(dāng)頂板條件較為復(fù)雜時(shí)，為配合預(yù)拉力錨桿共同支護(hù)，錨索的使用強(qiáng)調(diào)低張（預(yù)拉力60～80kN）、短錨（錨固范圍一般不宜超過5.0～6.0m）、適當(dāng)滯后的原則，對適當(dāng)滯后的安裝方式也作了明確要求，極大地控制了錨索破斷、退錨等現(xiàn)象的發(fā)生，弱化了錨索剛度過大、不適應(yīng)圍巖變形的缺陷。

3.高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)

針對頂板松動范圍大，地質(zhì)異常帶等特殊地段，利用巷道圍巖變形規(guī)律，將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點(diǎn)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，通過高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力鋼絞線傳遞張拉力，直接作用于頂板錨固區(qū)圍巖，控制厚層復(fù)合頂板離層，形成可靠的護(hù)頂結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，直接利用M型鋼帶作受力基礎(chǔ)，并由專用機(jī)具實(shí)現(xiàn)初張力，支護(hù)原理如圖3所示。

高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)是預(yù)防頂板垮冒、錨固區(qū)失效的可靠手段，設(shè)計(jì)的雙孔環(huán)形連接器可以十分方便地連接兩根鋼絞線，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳遞高張拉力，如圖4所示，施工工藝和張拉過程與小孔徑預(yù)拉力錨索完全一致。

圖3 鋼絞線桁架支護(hù)原理

圖4 桁架連接裝置

參考文獻(xiàn)

[1]康紅普.煤礦預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].煤礦開采，2011（03）.

[2]依太雷.鋼絞線預(yù)拉力桁架支護(hù)在大斷面交岔點(diǎn)中的應(yīng)用[J].煤礦支護(hù)，2011（01）.

[3]林吉深.利用焊管機(jī)軋制礦用W型鋼帶[J].當(dāng)代礦工，2009（03）.

[4]張農(nóng)，高明仕，許興亮.煤巷預(yù)拉力支護(hù)體系及其工程應(yīng)用[J].礦山壓力與頂板管理，2002（04）.