崔少華

(長(zhǎng)治三元中能煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 046605)

1 前言

煤礦生產(chǎn)中，在安全及技術(shù)方面有高的要求，煤礦巷道進(jìn)行支護(hù)處理是確保煤礦安全生產(chǎn)的前提。但由于煤礦開(kāi)采條件逐漸復(fù)雜，尤其是受相應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力影響，會(huì)在不同程度上破壞巷道圍巖。因此，采用有效的巷道支護(hù)技術(shù)尤為重要。預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)是煤礦巷道進(jìn)行加固中最常應(yīng)用的技術(shù)，其在整個(gè)錨桿支護(hù)方面發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)，錨桿支護(hù)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用這種技術(shù)進(jìn)行巷道支護(hù)，對(duì)于保障煤礦生產(chǎn)安全意義重大。本文研究重點(diǎn)在于探討預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)在煤礦巷道中的應(yīng)用，以提升煤礦巷道圍巖的堅(jiān)固性，確保煤礦生產(chǎn)安全、穩(wěn)定進(jìn)行。

2 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)工作原理及分類

2.1 工作原理

預(yù)應(yīng)力錨索主要包含錨固劑、索體等，它的主要功能在于承受比預(yù)計(jì)更大的應(yīng)力，因此得以在煤礦、鐵路等多個(gè)領(lǐng)域使用。早期所用的錨索支護(hù)技術(shù)是運(yùn)用大孔徑進(jìn)行注漿，這種方法必須配置2～7根鋼絞線，這種錨索在實(shí)際應(yīng)用中面臨一些問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)也快速發(fā)展。預(yù)應(yīng)力錨索中的錨固段在穩(wěn)定土體中，主要功能是提供錨固力。自由段則是與錨固段相連接的部分，不僅能發(fā)揮傳遞錨固力的作用，也能為錨索鎖定提供相應(yīng)的延伸量。煤礦巷道中運(yùn)用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)，不僅能對(duì)活動(dòng)狀態(tài)下的巖層實(shí)施懸吊，也可以對(duì)圍巖展開(kāi)有效的支護(hù)，與錨桿組合為更加穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，確保圍巖展現(xiàn)出穩(wěn)定、連續(xù)的特征[1]。這種情況下，錨索會(huì)將巷道內(nèi)的圍巖和錨桿預(yù)應(yīng)力實(shí)施連接，進(jìn)一步提升圍巖結(jié)構(gòu)的承載能力及穩(wěn)定性。對(duì)于煤礦巷道而言，其預(yù)應(yīng)力狀況對(duì)錨索支護(hù)參數(shù)有一定的影響，也會(huì)影響最終的支護(hù)效果。因此，想要保障錨索充分發(fā)揮自身的作用，必須全面掌握錨索應(yīng)力場(chǎng)支護(hù)相關(guān)知識(shí)，以全面了解錨索預(yù)應(yīng)力狀況。詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，采用錨索支護(hù)進(jìn)行加固處理時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力，這種預(yù)應(yīng)力顯示橢圓形分布的特征。錨索尾部壓應(yīng)力一般比較大，與尾部相距越遠(yuǎn)，預(yù)應(yīng)力會(huì)逐漸減弱。如果頂板與錨索尾部的距離占錨索場(chǎng)所的20%，壓應(yīng)力約降低0.06MPa[2]。多數(shù)情況下，錨索自由端中間位置的壓應(yīng)力均不會(huì)過(guò)大，而錨固始端下部的壓應(yīng)力比較集中，但其集中程度及范圍非常小。因此需要對(duì)錨索施加一定的預(yù)應(yīng)力，并對(duì)錨索的長(zhǎng)度、密度等進(jìn)行控制，從而使得支護(hù)阻力在巷道支護(hù)內(nèi)真正發(fā)揮其作用，形成壓應(yīng)力區(qū)域，充分顯示出錨索支護(hù)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2.2 礦巷應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索具體分類

礦用預(yù)應(yīng)力錨索根據(jù)不同的分類方法有不同類型，但考慮到這種技術(shù)依然處在發(fā)展階段，錨索類型還相對(duì)簡(jiǎn)單，依據(jù)實(shí)際用途和錨固方法綜合分類如圖1所示。

圖1 礦用預(yù)應(yīng)力錨索分類

煤礦巷道所用預(yù)應(yīng)力錨索主要以小型為主，主要系列如表1。

表1 煤礦預(yù)應(yīng)力錨索系列

3 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的應(yīng)用

3.1 限定支護(hù)材料

為達(dá)到煤礦巷道掘進(jìn)操作的要求，順利實(shí)現(xiàn)低成本、高效益發(fā)展目標(biāo)，煤炭科學(xué)研究總院經(jīng)過(guò)探索，開(kāi)發(fā)了新型樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索。這種錨索采用單根鋼絞線，比傳統(tǒng)的鉆孔直徑縮小了很多，且能對(duì)樹(shù)脂攪拌錨固，主要優(yōu)點(diǎn)：①安裝程序簡(jiǎn)單，直徑小，鉆進(jìn)速度快；②處理操作較快，可以及時(shí)施加一定的預(yù)應(yīng)力，便于錨索主動(dòng)承載相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力[3-4]。依托原有建筑鋼絞線研發(fā)出的新型1×19型鋼絞線，增大鋼絞線直徑，在一定程度上提升錨索破斷荷載及其延伸率。

3.2 支護(hù)形式

預(yù)應(yīng)力錨索及錨桿相結(jié)合是煤礦巷道支護(hù)中最常使用的方法，依托錨索與錨桿之間的相互配合，能夠發(fā)揮兩者之間的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到良好的加固支護(hù)效果。其中，錨索主要功能是作用在巷道頂板和底板上，將錨索及錨桿交叉或并排布置，可以大面積用到全煤巷道，特別是部分大斷面及高應(yīng)力煤礦巷道，能得到最佳的支護(hù)效果[5]。全錨索支護(hù)是對(duì)巷道的頂部、兩幫等處開(kāi)展錨索加固處理，真正展現(xiàn)出錨索支護(hù)用于煤礦巷道加固支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，這種支護(hù)方式也在高地應(yīng)力和受到動(dòng)壓影響大的巷道加固中使用。

3.3 設(shè)定合理的支護(hù)參數(shù)

采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)時(shí)，必須設(shè)定索體直徑、長(zhǎng)度等各項(xiàng)參數(shù)。其中，預(yù)應(yīng)力是錨索支護(hù)的重要參數(shù)之一。此外，由于錨索的長(zhǎng)度及直徑均比較大，能夠施加的預(yù)應(yīng)力自然也比較大。但支護(hù)操作中設(shè)定的錨索長(zhǎng)度必須達(dá)到其可以固定在相對(duì)穩(wěn)定巖層的具體要求。同時(shí)，錨索與鉆孔直徑需相互匹配，通常情況下，錨索直徑一般設(shè)計(jì)為28mm，此時(shí)，索體和鉆孔直徑之間的差值要控制在6～10mm范圍之內(nèi)[6]。

3.4 應(yīng)用實(shí)例

某煤礦運(yùn)輸巷道中，煤層的埋藏深度是1 270m，巷道需要沿著巖層具體走向展開(kāi)施工。其中，巷道頂板屬于中粒砂巖，而底板處是粉砂巖，該煤礦巖體整體強(qiáng)度較低。通過(guò)對(duì)巷道進(jìn)行地應(yīng)力檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，工程垂直應(yīng)力高達(dá)31.5MPa，最大水平應(yīng)力高達(dá)31.1MPa，最小水平主應(yīng)力為16.5MPa。該煤礦巷道斷面是半圓拱形，其高度和寬度分別為4.2m和4.5m。

通過(guò)對(duì)該煤礦巷道的分析，選定錨桿與錨索相互結(jié)合的方式進(jìn)行支護(hù)，設(shè)置支護(hù)具體參數(shù)如下：錨桿直徑為22mm，錨桿的長(zhǎng)度控制為2.3m。錨桿的拉斷強(qiáng)度應(yīng)在600MPa水平，錨桿屈服強(qiáng)度控制為800MPa。對(duì)頂板及兩幫進(jìn)行注漿施工的錨索，直徑也是22mm，鋼絞線選用1×19型，并施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力。但對(duì)于底板進(jìn)行注漿錨固處理時(shí)，需要應(yīng)用專用攪拌頭實(shí)施鉆孔操作，嚴(yán)格按照“上錨下注”的方法進(jìn)行處理，通過(guò)樹(shù)脂固定劑完成錨固處理。

通過(guò)相應(yīng)的支護(hù)后，對(duì)巷道表面位移狀況展開(kāi)監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，錨索加固5d之內(nèi)的受力狀況有一定程度的下降，隨之受力狀況慢慢增加，尤其在10d之后快速增加，到50d左右時(shí)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。錨索所承受的最大力為430kN，且底板錨索受力明顯比頂板及兩幫小，變化狀況趨于平緩狀態(tài)。由此表明，煤礦巷道應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)可獲得良好的加固效果，保障煤礦巷道安全、穩(wěn)定的開(kāi)展生產(chǎn)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)，可以有效解決煤礦巷道支護(hù)方面的問(wèn)題，保障巷道施工在復(fù)雜的環(huán)境下可以順利進(jìn)行。為充分展現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，必須全面了解預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)操作原理及具體分類，能夠嚴(yán)格遵循應(yīng)用流程展開(kāi)施工，為煤礦企業(yè)提供安全的生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)保障煤礦施工人員的安全及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。