錨桿支護(hù)作為一種主動支護(hù)形式,能及時加固圍巖,提高圍巖強(qiáng)度及其承載能力,支護(hù)效果好,支護(hù)成本低,有利于工作面端頭維修,便于實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效。隨著煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)日趨成熟,從錨桿設(shè)計,支護(hù)材料到施工工藝、安全監(jiān)測等方面,己形成了適合我礦特點的煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù),其應(yīng)用范圍也從Ⅰ~Ⅲ類煤巷,逐漸發(fā)展到Ⅳ~Ⅴ類煤巷,為大面積推廣應(yīng)用錨桿支護(hù),尤其在全煤巷道中試驗錨桿支護(hù)創(chuàng)造了有利條件。
一、煤巷道圍巖變形破壞特點
在回采巷道礦壓與支護(hù)方面提出了一種新理論,即最大水平主應(yīng)力理論。這一理論認(rèn)為,圍巖層狀特征比較突出的回采巷道開挖后引起應(yīng)力重新分布時,垂直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移,水平應(yīng)力向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移,從而引起集中應(yīng)力,垂直應(yīng)力的影響主要顯現(xiàn)于兩幫,導(dǎo)致兩幫煤體破壞;而水平應(yīng)力的影響則主要顯現(xiàn)于頂、底板巖層,引起頂板離層或底板鼓起。
二、巷道圍巖應(yīng)力集中效應(yīng)
巷道開挖,引起應(yīng)力集中,使煤層受到附加集中應(yīng)力的作用,由于煤層松散破碎,抵抗水平應(yīng)力的能力極低,頂煤中會產(chǎn)生大范圍的塑性區(qū)。離散元數(shù)值模擬計算結(jié)果表明,巷道開挖后巷道頂煤基本卸載,形成近似矩形的卸載松動區(qū),頂煤破壞區(qū)達(dá)到巖石頂板,煤頂下沉量達(dá)242mm,而巷道兩幫煤體雖然出現(xiàn)了大片塑性區(qū),深度達(dá)4m,但并未產(chǎn)生松動破壞,煤體仍保持較高的殘余強(qiáng)度,其位移量也較小,僅為55.3mm。厚煤層中巷道開挖后,使煤層抵抗水平應(yīng)力的截面大為減少,巷道周圍煤體抵抗水平應(yīng)力的能力隨之明顯降低,煤體極易沿水平層理面向巷道空間擠入,致使巷道頂板的煤體受水平應(yīng)力作用而產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。甚至導(dǎo)致頂板煤層冒落。
三、全煤巷道錨桿支護(hù)機(jī)理分析
目前錨桿支護(hù)有三種理論:懸吊理論、組合梁和加固成型拱理論。但對于頂板為煤層的全煤巷道而言,這些理論仍無法解釋錨桿支護(hù)對全煤巷道的作用機(jī)理。隨著我礦錨桿支護(hù)研究結(jié)果表明,錨桿支護(hù)對于提高圍巖(特別是松散圍巖)自身的最大承載能力沒有明顯效果,但當(dāng)圍巖產(chǎn)生塑性破壞后,對提高圍巖的殘余強(qiáng)度及承載能力有顯著效果;錨桿與其錨固范圍內(nèi)的煤體構(gòu)成一種組合型錨固支護(hù)體,在錨桿的約束與抗剪作用下,使塑性破壞后易于松動的煤體或煤頂形成具有一定承載能力,并可適應(yīng)圍巖變形的平衡拱,從而提高了煤體的整體性,防止頂煤松散冒落,錨固平衡拱內(nèi)存在著關(guān)鍵承載環(huán),對巷道頂板可起到有效的支承作用。全煤巷道的關(guān)鍵技術(shù)主要是治頂,只要維持頂煤的穩(wěn)定,就能保證巷道圍巖的基本穩(wěn)定。而全長錨固錨桿的作用就是通過對其錨固長度范圍內(nèi)的煤體提供軸向和橫向約束,可有效地阻止煤塊體之間的相互錯動,防止錨固體的松散變形,保持錨固體的整體性,從而提高頂煤的承載能力和穩(wěn)定性。
四、錨桿的兩種約束效應(yīng)
巷道頂板為層狀巖層或松散煤體時,需采取組合錨桿支護(hù)方式,用金屬網(wǎng)及W型鋼帶把錨桿聯(lián)結(jié)起來,從而對頂煤起到整體加固作用。此外,由于頂煤與巖層界面上容易產(chǎn)生離層現(xiàn)象,導(dǎo)致頂煤下沉,當(dāng)錨固體不能承受頂板壓力時,甚至?xí)斐身敯迕奥?。在這種條件下,最有效的方法就是采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。錨索的錨固深度大,承載能力高,并可施加100kN以上的預(yù)緊力,因此可以有效地增加關(guān)鍵承載環(huán)的厚度,起到防止頂煤破壞冒落的作用。(見圖)
五、試驗方案
根據(jù)我礦試驗頂板巖層條件,確定采用組合錨桿支護(hù),即全長樹脂錨固的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿+金屬網(wǎng)+W型鋼帶+樹脂錨固小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索。高強(qiáng)錨桿以加固作用為主,使其錨固范圍內(nèi)的頂煤形成“錨固平衡拱”;錨索以懸吊作用為主,把潛在冒落范圍內(nèi)的頂煤懸吊在上部比較穩(wěn)定的頂板巖層上,加大“錨固平衡拱”厚度,阻止頂煤下沉及冒落。煤幫錨桿采用18mm金屬錨桿。
六、試驗結(jié)果
我礦全煤巷道組合錨桿支護(hù)試驗取得了成功,錨桿支護(hù)效果顯著,頂幫煤體的整體性和穩(wěn)定性較好,頂煤平均下沉量度為152.5mm,兩幫相對移近量平均179.5mm,巷道斷面平均收縮率僅為12.8%。而同類條件下采用礦工梯形支架支護(hù)時頂板下沉量可達(dá)450mm,是試驗巷道頂板下沉量的3倍,支架損壞也比較嚴(yán)重,冒頂事故時有發(fā)生,需要經(jīng)常翻修,浪費了大量的人力物力,并且給綜采工作面上下端頭維護(hù)帶來嚴(yán)重困難。采用組合錨桿支護(hù)全煤巷道,有效地控制了巷道圍巖的變形與破壞,一般情況下煤巷圍巖變形量不大,充分發(fā)揮了組合錨桿加固煤巖體的有效作用,保持了巷道圍巖的整體性和穩(wěn)定性,保證了巷道在整個服務(wù)期間內(nèi)不進(jìn)行任何維修,同時減化了綜采工作面端頭拆棚、替棚維護(hù)的工序,改善了工人的勞動作業(yè)環(huán)境,為綜采實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。
七、結(jié)論
(1)通過礦壓顯現(xiàn),組合錨桿在松散巷道中才能保證經(jīng)受回采動壓影響時能始終保持錨桿不受破壞。
(2)全煤巷道組合錨桿支護(hù)技術(shù)對于頂、幫煤體支護(hù)效果好,形成錨固平衡拱,有效地保持了其完整性和穩(wěn)定性,巷道斷面平均收縮率僅為12.8%,巷道在整個服務(wù)期限內(nèi)不需維修,簡化了綜采面端頭的維護(hù)工序,確保了綜采面穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)及安全生產(chǎn)。
(3)、全煤巷道采用組合錨桿支護(hù)技術(shù),不但具有顯著的技術(shù)成果,而且具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,通過與工字鋼梯形支護(hù)費用比較,采用組合錨桿支護(hù)成本下降了20%。
說明:巷道頂板采用樹脂錨桿、錨索、金屬網(wǎng)及“W”型鋼帶作永久支護(hù)。錨桿布6排,間距0.8m,排距0.7m,錨桿長2.3m,頂板兩邊錨桿距幫0.35m,并對頂板成750夾角,用水泥托板,標(biāo)準(zhǔn)螺母將網(wǎng)緊固在頂板上。錨索布3排,排距1.3m,間距1.6m,錨索長4m,巷中心布一排,兩邊錨索距幫0.8m,“W”型鋼帶將網(wǎng)緊固在頂板上,鋼帶長3m。