張志剛

（同煤集團四老溝礦技術(shù)科， 山西 大同 037001）

引言

煤礦巷道的支護效果和質(zhì)量直接決定工作面是否能夠安全生產(chǎn)。目前，綜采工作面巷道以錨桿錨索聯(lián)合與鋼帶的聯(lián)合支護為主，但是在實際支護過程中由于支護參數(shù)設(shè)計不合理以及施工質(zhì)量不佳，導(dǎo)致最終支護強度不夠，進而導(dǎo)致巷道頂板支護失效、鋼帶出現(xiàn)折斷等現(xiàn)象。為此，隨著對工作面巷道掘進的推進，工作面巷道受到動壓的周期性影響，需及時對支護施加一定量的預(yù)緊力，保證頂板能夠充分發(fā)揮其主動支護的作用[1]。本文著重對預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護的應(yīng)用進行研究，具體闡述如下。

1 工程概況

某煤礦的設(shè)計生產(chǎn)能力為60 萬t/年，該煤礦切眼跨度的寬度范圍在8.6～10.6 m 之間，切眼高度為3.6 m，該煤礦的服務(wù)年限設(shè)計為40 年。本文將研究預(yù)應(yīng)力錨桿錨索聯(lián)合支護方案在某煤礦的應(yīng)用效果，并與普通錨索錨桿聯(lián)合支護的應(yīng)用效果進行對比。以某煤礦的1301 工作面為研究對象，該工作面共包含有可開采煤層3 號煤層和4 號煤層。且3 號和4 號煤層的頂?shù)装逯饕煞忠陨百|(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r和粉砂質(zhì)黏土巖為主。107 工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 107 工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)分析可知，1301 工作面屬于不穩(wěn)定巖層，因此在實際掘進和開采過程中需注重對巷道頂板的支護設(shè)計。

2 支護現(xiàn)狀分析

目前，1301 工作面所采用的支護方式為普通錨索錨桿+鋼帶的聯(lián)合支護。在實際生產(chǎn)過程中需對工作面圍巖的變形情況進行監(jiān)測，并得出如下結(jié)果：1301 工作面頂板的變形量和變形率較高，具體表現(xiàn)為：1301 工作面采用普通錨索錨桿+鋼帶的聯(lián)合支護掘進1 個月后，工作面頂板的總下沉量約為500 mm，工作面頂板的變形率約為17.5 mm/d。

經(jīng)統(tǒng)計，1301 工作面的失效形式主要表現(xiàn)為頂板錨桿失效、部分錨索被拉斷、鋼帶被折斷。綜合表現(xiàn)為在巷道掘進過程中需后期維護的工作量較大，嚴重制約了工作面的掘進和生產(chǎn)效率。1301 工作面的頂板、兩幫圍巖變形如圖1 所示。

圖1 1301 工作面圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

如圖1 所示，在巷道掘進初期工作面頂板和兩幫的變形速度在第一天達到最大值，分別為62 mm和27 mm，隨著工作面的推進其變形速率逐步降低并趨于穩(wěn)定；巷道頂板和兩幫的變形量隨著工作面的推進不斷增高，并在生產(chǎn)50 d 后頂板變形量最大，達到700 mm，兩幫變形量最大達到330 mm。

3 預(yù)應(yīng)力桁架錨索與普通錨索支護機理對比

與普通錨索不同的是，預(yù)應(yīng)力桁架錨索對巷道加固原理為，在基礎(chǔ)錨索與錨固劑聯(lián)合黏結(jié)作用的基礎(chǔ)上，通過在端部錨頭擠壓的作用下對巷道的圍巖提供長期有效的張拉力，進而達到實現(xiàn)圍巖錨固的關(guān)鍵位置。為此，將預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護手段應(yīng)用于1301 工作面的支護中。

總的來說，預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護一方面可以與工作面頂板在空間位移上達到位移變形相互協(xié)調(diào)的目的；另一方面在預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護的作用下保證支護強度與圍巖的頂板和兩幫的來壓相互匹配[2]。

4 預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護方案的設(shè)計

預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護主要由桁架連接器、高強度鋼絞線、錨具以及反扣裝置等組成[3-4]。

針對1301 工作面的特征，本文選用新型連接器作為其桁架連接器，該連接器能夠在水平和垂直方向同時提供足夠的預(yù)應(yīng)力，進而達到改善工作面圍巖在水平和垂直方向的應(yīng)力狀態(tài)，使工作面圍巖能夠達到應(yīng)力平衡的狀態(tài)。結(jié)合1301 工作面的實際情況，選用14a 槽鋼的預(yù)應(yīng)力桁架的結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計是結(jié)合1301 工作面的實際情況對桁架錨索長度、桁架錨索預(yù)應(yīng)力、桁架錨索角度、桁架錨索孔口幫距以及頂板錨桿的間距等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計和確定。為保證所得預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護參數(shù)、最終的支護效果和質(zhì)量為最佳，本文采用正交試驗的方法對上述參數(shù)進行最優(yōu)選取[5]，結(jié)合1301 工作面的情況及設(shè)計經(jīng)驗，各個參數(shù)的取值如表2 所示。

基于FLAC3D 軟件采用控制變量的原則，對工作面頂板下沉量、兩幫水平位移以及底鼓變形量等圍巖控制量進行綜合考評，最終確定出最佳預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護參數(shù)的組合。經(jīng)優(yōu)化仿真，最終所得的最佳支護參數(shù)如下：桁架錨索的預(yù)應(yīng)力為120 kN，桁架錨索角度為45°，桁架錨索長度為7 100 mm，錨索孔口間距為800 mm，頂板錨桿間距為800 mm。

表2 預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護參數(shù)取值

5 預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護效果驗證

在對預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，最終對1301 工作面的預(yù)應(yīng)力桁架錨索錨桿+鋼帶的聯(lián)合支護參數(shù)設(shè)計如下：

1）工作面頂板所采用預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護的間排距為1.6 m，錨索的長度為7.1 m。

2）工作面頂板所采用錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 000 mm，錨桿的間距為800 mm，錨桿的排間距為800 mm；工作面所采用錨桿的參數(shù)與頂板一致。

3）工作面頂板所采用的金屬網(wǎng)片由12 號鐵絲制成，并為其配置直徑為10 mm 的鋼筋梁。

將上述支護參數(shù)分別體現(xiàn)于1301 工作面的支護實施中，并在工作面選取3 個監(jiān)測點，對采用預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護后工作面的圍巖控制效果進行為期兩個月的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖2 所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護效果（頂板）

如圖2 所示，基于預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護后，工作面頂板的最大變形量由之前的700 mm 降低至196 mm（3 號測點）。且采用預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護后，1301 工作面在17 d 后達到應(yīng)力平衡狀態(tài)。

6 結(jié)論

1）結(jié)合1301 工作面的情況，其對應(yīng)的最佳預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護的參數(shù)為：桁架錨索的預(yù)應(yīng)力為120 kN，桁架錨索角度為45°，桁架錨索長度為7 100 mm，錨索孔口間距為800 mm，頂板錨桿間距為800 mm。

2）經(jīng)實際支護監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：采用預(yù)應(yīng)力桁架錨索錨桿+鋼帶聯(lián)合支護后，頂板和兩幫的圍巖得到明顯控制，且在工作面推進過程中未出現(xiàn)巖層離層的現(xiàn)象。