榮葉明
(臨汾宏大隆博煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 042100)
錨桿支護技術(shù)是利用圍巖自身的力量承載壓力,從而提高巖體周圍的強度,并與保護區(qū)相互作用形成完整的載重體,進而達到支護煤礦巷道的效果[1]。錨桿支護技術(shù)利用錨桿可連接巷道頂部和深部牢靠的巖層,控制巷道的下沉及掉落;組合梁作用,利用錨桿產(chǎn)生的錨固力提高圍巖的抗變形力,進而提高圍巖的抗剪切力,控制圍巖產(chǎn)生位移變形,產(chǎn)生組合橫梁作用;復(fù)合拱作用,利用錨桿支護施加預(yù)應(yīng)力,將錨固范圍內(nèi)的圍巖形成壓縮拱的壓縮帶,實現(xiàn)圍巖的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變,從而提高圍巖的支護強度[2]。通過分析錨桿的支護作用,可知錨桿與圍巖的作用效果有:一是采用錨桿支護井下巷道,提高了巷道圍巖的各項性能,增強了圍巖的屈服強度,進而改善了圍巖的破壞變形;二是經(jīng)過錨桿支護后的巷道強度進一步得到增強,在減小圍巖變形的同時提高圍巖的抗剪切力,阻止圍巖的變形移動;三是進行錨桿支護加強,可消除拉應(yīng)力作用,增大圍巖的抗拉強度,減小壓應(yīng)力作用,進而減小圍巖產(chǎn)生的位移變形量。通過上述分析,采用錨桿支護技術(shù)不僅提高了圍巖的內(nèi)聚力,還可增大圍巖的內(nèi)摩擦角,增加圍巖的形變模量[3],具有很好的支護效果。因此,本文在對比研究錨桿分次支護優(yōu)化技術(shù)和傳統(tǒng)錨桿支護技術(shù)兩種方式的基礎(chǔ)上,分析其巷道圍巖的變形和錨桿所受軸力的變化規(guī)律,進而引出錨桿分次支護的優(yōu)化技術(shù)。
本文以某礦為對象,選取兩種方案對比研究,方案1采用原錨桿支護技術(shù)的巷道保護,方案2采用錨桿分次支護技術(shù),其中原錨桿支護是來源于傳統(tǒng)理論設(shè)計的,掘進機掘進一定深度后停止并退出,開始由外向開挖方向依次進行巷道的錨桿支護;而錨桿分次支護優(yōu)化技術(shù)的不同之處在于先在開挖巷道的頂部進行錨桿支護,隨后隨巷道掘進作業(yè)開展的同時再進行幫部錨桿的支護,即幫部錨桿支護滯后進行[4]。每種方案選取100 m為研究段,分別選取3個分析面,每個分析面間隔20 m,具體的布置示意圖如圖1所示。
圖1 對比兩種方案的布置示意圖
對于分析巷道圍巖變形的情況,本文采用三角形布點法進行研究,一組20 m,每組設(shè)置4個研究點,分別設(shè)置在開挖巷道頂部和幫部的中間位置,并在頂部和兩側(cè)幫部各布置兩個研究點,研究布置的示意圖如圖2所示。
圖2 分析巷道圍巖變形的布置示意圖
采用上述布點法分析巷道圍巖的變形情況,得到如下頁圖3所示的示意圖,從圖中可以看出,對于方案1,頂部巷道圍巖變形的最大值是14.9 mm,兩側(cè)幫部的最大值是6.7 mm;對于方案2,頂部巷道圍巖變形的最大值是17.7 mm,兩側(cè)幫部的最大值是8.6 mm。
圖3 對比兩種方案的巷道圍巖變形曲線圖
通過圖3對比還可知,在原支護技術(shù)和錨桿分次支護技術(shù)下,在距開挖掘進面大約45 m后,巷道圍巖的變化平緩,變形量趨于穩(wěn)定,但是,對比分析圍巖變形的最大值,原支護技術(shù)比分次支護的頂部變形值小2.8 mm,兩側(cè)幫部變形小1.9 mm,由于采用傳統(tǒng)的錨桿支護技術(shù)是一次支護成巷,限制了巷道圍巖的變形,而錨桿分次支護技術(shù)在前期開挖施工中準(zhǔn)許圍巖存在變形,隨后隨巷道掘進的同時完成分次支護技術(shù),因此,只要將巷道圍巖的變形控制在合理的范圍內(nèi),在開挖掘進階段可隨時保證掘進作業(yè)的安全,也就可以保證井下煤礦的安全。所以,對比分析可知,采用錨桿分次支護技術(shù),其頂板變形量要大于傳統(tǒng)支護,因兩側(cè)幫部錨桿滯后作業(yè),其幫部變形量也大于傳統(tǒng)支護,但是其變形量都在可控的范圍內(nèi)。但在實踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),采用錨桿分次支護可更有效地保證巷道的穩(wěn)定安全,顯著提高巷道掘進速度。
在巷道圍巖掘進開挖時,由于對錨桿的擠壓作用,錨桿就會受到軸力,對比研究兩種支護技術(shù)下的錨桿所受的軸力,得到如圖4所示的變化曲線圖。
從圖4可以看出,在距掘進面0~45 m區(qū)間內(nèi),巷道圍巖變形量逐漸增大,錨桿所受到的軸力值也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢,逐漸增大,對于方案2錨桿分次支護技術(shù),錨桿最大軸力值是41.5 kN,距掘進開挖面48 m左右時穩(wěn)定;對于方案1傳統(tǒng)錨桿支護技術(shù),錨桿最大軸力值是39.2 kN,距掘進開挖面43 m左右時穩(wěn)定。
圖4 對比兩種方案錨桿所受的軸力變化曲線圖
從圖4對比還可知,兩種支護技術(shù)下錨桿整體所受到的軸力變化規(guī)律基本一致,都隨距掘進面距離的增大呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的變化趨勢,但是錨桿分次支護技術(shù)下錨桿所受的軸力值明顯較大,最大軸力值相差2.3 kN,主要是由于錨桿分次支護技術(shù)準(zhǔn)許巷道圍巖存在變形,相應(yīng)地錨桿整體所受到的軸力值較大。
為提高井下巷道開挖的速度,進而提高煤礦生產(chǎn)效率,本文在對比研究錨桿分次支護技術(shù)和傳統(tǒng)錨桿支護技術(shù)兩種方案下,分析巷道圍巖的變形和錨桿所受軸力的變化規(guī)律,結(jié)論是:
1)兩種方案下,距開挖掘進面大約45 m左右時,巷道圍巖的變化平緩,變形量趨于穩(wěn)定,且分次支護下頂部和兩側(cè)幫部巷道圍巖的變形量都大于原支護技術(shù)。
2)兩種方案下,錨桿整體所受到的軸力值變化規(guī)律基本一致,都隨距掘進面距離的增大呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的變化趨勢,且分次支護相比原支護所受軸力的最大值大2.3 kN。
3)對比可知,錨桿分次支護技術(shù)可以保證巷道圍巖的穩(wěn)定,支護效果優(yōu)于傳統(tǒng)錨桿支護技術(shù),還可提高巷道掘進開挖的速度。