高燕杰

（汾西礦業(yè)集團(tuán)安全監(jiān)察中心，山西 介休 032000）

在煤礦礦井建設(shè)和開(kāi)挖工作過(guò)程中，錨桿支護(hù)施工技術(shù)是幾種比較常用的技術(shù)形式，所具有的支護(hù)工作優(yōu)越性非常明顯，但是在煤層埋深相對(duì)較大的礦井開(kāi)挖工作中，由于多分層、低強(qiáng)度負(fù)荷頂板錨桿支護(hù)施工方法一直是其中一項(xiàng)施工難題。根據(jù)頂板巖性條件、分層結(jié)構(gòu)等相關(guān)參數(shù)多次變化，頂板錨桿支護(hù)施工方案每一種設(shè)計(jì)工作方案，在進(jìn)行多次優(yōu)化和改進(jìn)之后并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的巷道支護(hù)工的效果。

1 巷道頂板破壞機(jī)理分析

1.1 巷道頂板破壞過(guò)程

由于煤礦巷道頂板位置受壓出現(xiàn)變形，巖石局部出現(xiàn)屈服變形、節(jié)理弱面產(chǎn)生破壞、頂板位置較低層的彎曲變形、巖層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉伸或者局部剪切破壞問(wèn)題，最終會(huì)造成煤礦巷道頂板產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。

1.2 塑性破壞工作機(jī)理

煤礦巷道圍巖在高地應(yīng)力作用條件下，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力擴(kuò)張變形破壞問(wèn)題，巷道圍巖當(dāng)中經(jīng)常會(huì)存在膨脹性軟巖地質(zhì)條件，在吸水之后會(huì)產(chǎn)生膨脹變形問(wèn)題，造成圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。巷道在開(kāi)挖工作完成之后，巷道周圍圍巖先通過(guò)壓應(yīng)力造成擠壓破壞問(wèn)題，隨著擠壓破壞不斷朝著圍巖結(jié)構(gòu)深處進(jìn)一步發(fā)展，會(huì)造成巖石裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張出現(xiàn)體積膨脹、巷道周圍的巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)彎曲拉應(yīng)力作用，造成頂板的巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性問(wèn)題[1]。

1.3 結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理

煤礦巷道開(kāi)挖工作完成之后，巖層結(jié)構(gòu)的抗水平應(yīng)力截面面積下降，在水平應(yīng)力作用條件下每一層會(huì)沿著水平層面不斷朝著巷道內(nèi)部擠壓，造成巷道的頂部位置受到水平作用力影響而產(chǎn)生破壞。圍巖結(jié)構(gòu)當(dāng)中節(jié)理構(gòu)造面存在圍巖承載能力下降以及穩(wěn)定性下降問(wèn)題，特別是在節(jié)理面和最大主應(yīng)力方向上產(chǎn)生斜交問(wèn)題時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)穩(wěn)定性下降而產(chǎn)生弱面破壞性問(wèn)題。煤礦巷道開(kāi)挖工作完成之后，圍巖結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)通過(guò)三軸應(yīng)力變成單軸壓應(yīng)力狀態(tài)，因?yàn)閹r石單軸的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，會(huì)造成圍巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性破壞問(wèn)題，或者直接沿著節(jié)理發(fā)育面產(chǎn)生破壞。周圍的巖層結(jié)構(gòu)會(huì)受到比較嚴(yán)重的擠壓破壞影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和彎曲情況，破壞區(qū)域越大彎曲變形程度越高，因此所造成巷道周圍位置始終處于一種強(qiáng)壓縮性的狀態(tài)。隨著錨固巖體結(jié)構(gòu)繼續(xù)出現(xiàn)變形和彎曲，巷道內(nèi)部的錨桿始終處于緊張受力狀態(tài)，如果錨桿的長(zhǎng)度和剛性程度較大會(huì)造成受力更大，當(dāng)達(dá)到極限受力強(qiáng)度時(shí)會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的破壞性問(wèn)題[2]。

2 疊加支護(hù)工作理論

當(dāng)前在我國(guó)一些深井開(kāi)挖工作過(guò)程中，在高應(yīng)力作用條件下煤礦巷道內(nèi)部的錨桿支護(hù)，在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的松動(dòng)和不穩(wěn)定性問(wèn)題，并且相關(guān)工作人員也經(jīng)過(guò)多次支護(hù)參數(shù)調(diào)整，但是如果從單層錨桿作用角度上來(lái)看，提高支護(hù)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度整體的表現(xiàn)效果相對(duì)較差。通過(guò)對(duì)以往的實(shí)踐工作理論分析可以看出，通過(guò)這種單一的錨桿支護(hù)施工方法，無(wú)法完全阻止巷道頂板的破壞性問(wèn)題，則錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)工作過(guò)程中不能單純從提高支護(hù)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度上來(lái)進(jìn)行分析，需要從對(duì)破壞巖土的加固、阻止圍巖結(jié)構(gòu)繼續(xù)產(chǎn)生松動(dòng)以及提高松動(dòng)體自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度上進(jìn)行重點(diǎn)分析和考慮，不但需要發(fā)揮出錨桿支護(hù)工作所具有的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還需要保證復(fù)合頂板的支護(hù)施工效果得到有效保證[3]。

2.1 一級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)

一級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)主要指的是短錨桿形成的承載結(jié)構(gòu)，單一通過(guò)錨桿支護(hù)使用方法無(wú)法阻止圍巖產(chǎn)生松動(dòng)問(wèn)題，則無(wú)須要特別提高頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度大小，將短錨桿的延展性抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度的工作優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。短錨桿的錨固厚度相對(duì)較小，錨固體擴(kuò)容變形量相對(duì)較小，擴(kuò)容應(yīng)力進(jìn)一步降低，通過(guò)使用全程錨固方法加強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以充分滿足復(fù)合頂板底層結(jié)構(gòu)錨固體的擴(kuò)容變形效果，因此可以形成初期支護(hù)階段的頂板擠壓和平衡狀態(tài)形成強(qiáng)度更高的次生承載體。

2.2 二級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)

通過(guò)使用鋼絞線錨桿所具有的可延展性特點(diǎn)，有效適應(yīng)圍巖結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題所產(chǎn)生的擴(kuò)張變形量，有效保證人體結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度和穩(wěn)定性，保證次生承載體在產(chǎn)生破壞的問(wèn)題前后，始終處于一種更加穩(wěn)定的塑性強(qiáng)度大小。有效使用鋼絞線錨桿的長(zhǎng)度和強(qiáng)度大小，全面強(qiáng)化自身承載層的抗變形能力，長(zhǎng)錨桿和短錨桿通過(guò)相間布置方法，在容易產(chǎn)生彎曲破壞的巷道頂板中間位置可以有效解決，因?yàn)轫敯逯胁渴芰^(guò)大而產(chǎn)生變形量問(wèn)題的干擾，進(jìn)一步提高頂板次生承載層的抗壓強(qiáng)度以及塑性變形工作能力，可以形成一種塑性更強(qiáng)、承載力更大的不均勻?qū)ΨQ基礎(chǔ)承載體結(jié)構(gòu)，全面提高破壞巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。

2.3 三級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)

通過(guò)使用鋼絞線錨索對(duì)巖體展開(kāi)擠壓和加固處理，保證錨索相互之間形成堵墻和促進(jìn)性作用，同時(shí)和短錨桿、長(zhǎng)錨桿、錨索加固的承載體之間形成相互補(bǔ)強(qiáng)作用。錨索結(jié)構(gòu)具有良好的延展性以及抗拉工作強(qiáng)度，會(huì)使得錨索所形成的錨固巖體，在巷道頂板的中間區(qū)域形成一條強(qiáng)度更大、塑性更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高的承載體。錨索加固點(diǎn)在松動(dòng)圈之外，可以進(jìn)一步提高頂板承載體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)錨索設(shè)置在兩排錨桿的中間區(qū)域，可以進(jìn)一步提高支護(hù)體結(jié)構(gòu)的密度大小，錨索和長(zhǎng)錨桿具有更高的延展性能同時(shí)強(qiáng)度更高，可以全面提高承載體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、塑性以及抗彎曲破壞性，能有效提高存在的結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3 疊加支護(hù)技術(shù)方法的具體應(yīng)用

有效結(jié)合我國(guó)某地區(qū)一處煤礦開(kāi)采巷道支護(hù)施工展開(kāi)分析和研究，本次巷道支護(hù)施工方法，采用的是疊加支護(hù)技術(shù)方法，工作單位積累了大量的參數(shù)數(shù)據(jù)信息，充分發(fā)揮出疊加支護(hù)施工技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本條巷道埋深467 m 頂板結(jié)構(gòu)屬于復(fù)合層結(jié)構(gòu)，煤礦巷道設(shè)計(jì)斷面尺寸為4.6 m×3.0 m，矩形斷面結(jié)構(gòu)根據(jù)疊加支護(hù)施工技術(shù)方法進(jìn)行頂板支護(hù)設(shè)計(jì)，短錨桿結(jié)構(gòu)使用的是22 mm×1 600 mm 的熱軋螺紋鋼材料。長(zhǎng)錨桿使用的是14.5 mm×3 500 mm 的鋼絞線，錨桿錨索使用的是14.5 mm×5 300 mm 的鋼絞線材料，錨桿錨索和測(cè)站儀器設(shè)備進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，根據(jù)疊加支護(hù)理論方法展開(kāi)頂板支護(hù)施工，其中總共設(shè)置出三個(gè)監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站間距為10 m 頂板離層指示儀[5]。

通過(guò)三個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行加固處理，固定點(diǎn)深度大小分別為1.5 m、3.5 m 和5.0 m。在第一階段支護(hù)施工過(guò)程中，采用的是一級(jí)支護(hù)施工方法，短錨桿受力大小為130 kN 頂板下沉速率較快，平均達(dá)到8 mm/d，第一階段大約為4 點(diǎn)左右。第二階段為一級(jí)和二級(jí)支護(hù)疊加，承載低位和中位承載體同時(shí)作為主承載結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)錨桿受力緩慢增加然后區(qū)域穩(wěn)定，三級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)緩慢加在錨索數(shù)里大小進(jìn)一步增加，頂板的下沉速率平穩(wěn)。第三階段作為一級(jí)二級(jí)和三級(jí)支護(hù)的疊加承載階段，在巷道頂板低位中位以及高位的承載體，同時(shí)進(jìn)行支撐頂板結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，短錨桿長(zhǎng)錨桿以及錨索的受力并沒(méi)有明顯的提升頂板結(jié)構(gòu)，不存在明顯的下沉量。同一條巷道的其他支護(hù)施工作為原錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，錨桿材料使用的是22 mm×2 200 mm 的熱軋螺紋鋼材料，采取全程錨固錨桿間距大小為700 mm，排間距為800 mm 煤礦巷道從開(kāi)挖到回采工作，錨桿支護(hù)原設(shè)計(jì)支護(hù)段經(jīng)過(guò)兩次翻修而疊加之后，綜采工作面臨及時(shí)進(jìn)行拉底處理即可滿足正常的工作要求，整個(gè)支護(hù)施工效果和經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)更加明顯[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)錨桿支護(hù)使用方法，隨著巷道頂板的推移作用，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部巷道穩(wěn)定性下降，最后會(huì)出現(xiàn)更加嚴(yán)重的大面積煤礦巷道失穩(wěn)問(wèn)題，因此需要通過(guò)采取疊加支護(hù)施工方法，進(jìn)一步保證復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高整個(gè)煤礦開(kāi)采工作的安全性，實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)采工作單位的良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。