高預應力強力支護技術現場應用研究

[ 摘 　要 ] 　高預應力強力支護能夠大幅度提高支護系統的初期支護剛度與強度 , 保持圍巖的完整性 , 往往一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞。通過現場應用表明 : 采用高預應力強力支護技術提高了水簾洞煤礦巷道的安全性和可靠性 , 巷道從施工開始到結束 , 其變形和位移得到有效控制。

　　煤礦巷道支護經歷了木支護、砌碹支護、型鋼支護到錨桿支護的漫長過程。錨桿支護經歷了從低強度、高強度到高預應力、強力支護的發展過程 。早期的錨桿主要是機械錨固錨桿、鋼絲繩砂漿錨桿、端部錨固樹脂錨桿、快硬水泥錨桿及管縫式錨桿等。這些錨桿支護強度與剛度低 , 支護原理上仍屬于被動支護。近年來 , 為解決復雜困難巷道支護難題 , 一些學者提出并開發了高預應力、強力錨桿支護技 。該技術不僅重視錨桿的強度, 更重視支護系統的剛度 , 特別是錨桿預應力的重要性 , 真正實現了錨桿的主動、及時支護 , 充分發揮了錨桿的主動支護作用 , 大幅度減少了巷道圍巖變形與破壞 ,巷道支護與安全狀況發生了本質改變。同時 , 實現了高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度的“三高一低 ”的現代錨桿支護設計理念 , 在保證支護效果的前提下 , 同時顯著提高了巷道掘進速度與工效。

1 　高預應力強力支護理論

(1) 高預應力強力錨桿支護主要作用在于 :一方面控制錨固區圍巖結構的穩定性 , 最大程度上抑制圍巖離層、裂隙張開擴展、層間滑動、新裂紋生成等有害變形的產生 , 從而有效保證圍巖的整體性結構 , 并具有繼續承載的能力; 另一方面 ,高預應力強力錨桿支護系統能夠保證錨桿、錨索的錨固力有效擴散到圍巖結構中 , 并使圍巖處于受壓狀態 , 有效防止煤巖體整體強度的降低 , 提升其承載能力。否則 , 圍巖整體結構的劣化將大大削弱錨固支護體的承載能力 , 那么后期錨桿、錨索的補強作用將很難有效遏制圍巖體產生諸多的有害變形 ,嚴重影響巷道的支護效果。

(2) 高預應力強力支護系統保證高預應力及其有效地擴散將對支護效果起到至關重要的作用 。通過托板、鋼帶和金屬網等構件將巷道中離散的、相互孤立的錨桿形成連續的支護體 , 使預應力有效地擴散到巷道的整個支護結構中 , 使圍巖形成連續的受壓結構 , 有效提升其承載能力。

(3) 剛度是彈性體抗變形的能力 , 是一個廣義的物質屬性 , 取決于材料的屬性、幾何尺寸及其邊界條件。錨桿支護系統的剛度必須與圍巖的剛度相匹配才能有效地控制圍巖變形 。能夠提供高預應力、高剛度是高預應力強力錨桿支護系統成功的關鍵 , 這種支護系統能夠提供的剛度往往達到或者超過了所要求的支護剛度 , 圍巖的變形能夠得到有效的控制 , 巷道可處于長期穩定狀態。

(4) 高預應力強力錨桿支護系統具有足夠的延伸率 , 能適應巷道開挖初期圍巖產生的連續變形, 同時能使圍巖中由于巷道開挖產生的集中應力得以釋放 , 減小支護難度 , 使支護系統變形與圍巖變形能夠相互協調 , 長期處于平衡穩定狀態。

(5) 對于復雜條件的巷道 , 應盡量采用高預應力強力支護系統 , 可做到一次支護就能有效控制圍巖結構的變形與破壞 , 從而避免多次支護補強和巷道維修。

2.　高預應力強力支護系統

　　高預應力強力支護系統包括強力錨桿、強力錨索及與之相配套的托板、螺母、錨固劑、金屬網等組合構件

2 .1強力錨桿

　　強力錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼 , 能夠滿足錨桿桿體形狀設計的各項準則 , 是理想的錨桿桿體。用 BHRB500, BHRB600 ( 公稱直徑均為 22 ～ 25mm)型號的鋼材生產的強力錨桿桿體的屈服強度可達 500MPa, 600MPa, 抗拉強度可達 670MPa,800MPa, 延伸率均為 18% 。

2 . 2 　錨桿附件

　錨桿附件采用與強力錨桿力學性能及所需預應力等參數相配套的托板、螺母。為使扭矩能夠有效提升錨固預應力 , 置于螺母與托板之間的高效減摩墊圈可顯著減少摩擦阻力 , 從而在很大程度上將錨桿安裝扭矩有效轉化為錨固預緊力。

2. 3 　強力鋼帶

　　鋼帶是高預應力強力支護系統中的關鍵部件 ,對提高錨桿支護整體支護效果、保持圍巖的完整性起著關鍵作用。

(1) 鋼帶可擴大錨桿作用范圍 , 實現錨桿預應力和工作阻力擴散 , 使載荷趨于均勻。可均衡錨桿受力 , 共同形成組合支護系統 , 提高整體支護能力。

(2) 支護巷道表面和改善圍巖應力狀態 , 抑制淺部巖層離層、裂隙張開 , 保持圍巖的完整性 ,減少巖層彎曲引起的拉伸破壞 , 改善巖層應力狀態 , 防止錨桿間松動巖塊掉落。鋼帶應與強力錨桿力學性能、圍巖體整體強度、剛度相匹配。

2 1 4 　強力錨索

　　高預應力強力支護系統采用大直徑、高噸位的強力錨索 , 其結構采用 19 根鋼絲的高強強力鋼絞線 , 保證錨索具有足夠的承載能力和良好的錨固性能。并且具有很好的柔性和延伸率 , 其直徑與鉆孔直徑相匹配。強力錨索采用拱形托板及調心球墊與其性能相匹配 , 這種組合使拱形托板承載能力提高、產生一定的變形而不致失效 , 同時改善錨索受力狀態 , 使其支護能力得到了充分的發揮。

3 　現場應用

3. 1 　工程概況

　　水簾洞煤礦位于彬縣背斜以北的大佛寺向斜區南翼。井田范圍呈現出向北傾斜的單斜構造 , 由三疊系基底繼承而來 , 地層傾角平緩 , 為 5 ～ 6 ° , 井田北部靠近大佛寺文物保護區時傾角變大 , 為 12～ 17 ° , 沒有發現斷層及巖漿侵入 , 所以本區構造簡單。根據地質力學測試結果 , 水簾洞煤礦 3 個測站最大水平主應力最大為 13 1 99MPa, 最小水平主應 力 最 大 為 7 1 36MPa, 垂 直 主 應 力 最 大 為8 1 88MPa, 最小 7 1 47MPa 。屬于中等應力值區 ,在所測試區域沒有大的構造 , 地質條件較為簡單 ,最大水平主應力方向一致性較好。應力場類型總體上為σ H > σ v> σ h , 以構造應力為主。巷道埋深在 400m 左右 , 巷道均沿煤層底板布置 , 為全煤巷道 , 煤層厚度為 0 1 58 ～ 19 1 38m, 平均 12 1 20m 。煤厚穩定 , 一般有 2 層夾矸 , 結構簡單。根據地質力學測試結果 , 煤體強度大部分集中在 16 ～ 23MPa, 平均強度 20 1 49MPa; 煤層偽頂多為灰黑色炭質泥巖 , 零星分布 , 厚度 0 1 5m 以下。直接頂板以泥巖、砂質泥巖為主 , 次為粉砂巖、砂巖 , 一般厚度 0 1 87 ～ 3 1 51m, 易冒落 , 為半堅硬不穩定頂板 , 強度主要集中在 30 ～ 60MPa, 平均強度為 40 1 17MPa 。基本頂多為灰白色中粗粒砂巖 , 平均厚度 3 1 0m, 局部為細砂巖或粉砂巖 , 為半堅硬較穩定頂板 - 穩定頂板 , 強度較高 , 主要集中在

80 ～ 100MPa, 平均強度為 92 1 31MPa 。底板為灰色、灰褐色含鮞狀結構鋁土質泥巖或炭質泥巖 , 一般厚度 2 1 14 ～ 6 1 75m, 屬軟弱巖層 , 遇水易膨脹 ,產生底鼓現象。

3 .2 　巷道支護現狀及存在問題分析

(1) 原有的錨桿支護設計未采用科學的設計方法 , 致使巷道支護強度普遍過高 , 支護密度過大 , 但支護效果并不理想 , 增加了支護成本 , 制約了掘進速度 , 巷道安全無法保障。

(2) 錨桿支護材料落后 , 錨桿大量采用右旋螺紋鋼錨桿。由于錨桿的錨固端為連續的右旋螺紋 , 當桿體右旋時 , 樹脂錨固劑會隨著桿體的旋轉由孔底向孔口流動 , 不能將藥劑充分混合 , 并且不容易填實錨固端桿體與孔壁之間的剩余空間 , 使黏結強度大大降低 ; 其次 , 全螺紋等強錨桿螺紋螺距大 , 螺母易松動 , 預緊力損失大。右旋螺紋鋼錨桿螺母為鑄造件 , 由于鑄造精度不夠 , 經常造成錨桿出現 “退帽 ”現象。另外在炮掘施工巷道 , 由于放炮震動 , 普遍發生錨桿螺帽被震松的現象 , 嚴重影響支護效果。

(3) 錨桿支護系統的剛度不足。錨桿預應力小 , 預應力擴散效應差 , 支護剛度低 , 致使錨桿主動支護作用不能發揮 , 實質上是被動支護 , 不能有效控制煤巖體早期離層與破壞 , 煤巖體強度與完整性喪失過大 , 導致頂板下沉、兩幫鼓出。

(4) 護表構件不合理。針對松散破碎煤巖體 ,應采用高強度、高剛度、護表面積大的護表構件 ,確保錨桿預應力有效擴散和良好的護幫護頂效果。

3 .3 　高預應力強力錨桿支護系統試驗

(1) 錨桿支護設計 　“水簾洞煤礦機軌合一上山 ”頂板高預應力、強力錨桿組合支護 ( 錨桿支護布置如圖 1 所示 ) 錨桿為 400 號 < 22mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋 , 長度 2 1 4m, 桿尾螺紋為 M24,錨桿間、排距 700mm, 每排 13 根錨桿 , 采用拱型高強度托盤。樹脂加長錨固 , 采用 2 支錨固劑 , 一支規格為 K2335, 另一支規格為 Z2360 。錨索采用< 17 1 8mm 低抗馳高預應力鋼鉸線 , 長 7 1 3m 。采用< 6 1 5mm 鋼筋焊接的鋼筋網護頂。

(2) 井下支護效果 　錨桿支護實施于井下后 ,對試驗巷道進行了礦壓監測。原有錨桿支護兩幫移近量 , 頂底板移近量、頂板下沉量、底鼓量、頂板離層等指標都比較大 , 嚴重影響了正常的安全生產 , 并且需要不斷地維修和維護 ; 采用高預應力強力錨桿支護 , 巷道兩幫移近量、頂底板移近量、頂板下沉量、底鼓量、頂板離層等指標明顯降低 , 巷道支護效果得到明顯改善。原支護巷道不僅變形大 , 而且圍巖破碎 ; 高預應力強力錨桿支護巷道圍巖結構完整、穩定 , 使得巷道支護狀況發生了本質的改變。可見 , 高預應力強力錨桿支護有效控制了復雜巷道圍巖強烈變形 , 為復雜困難巷道提供了有效的支護方式。

4 　結論

(1) 高預應力強力錨桿支護對于復雜困難巷道的主要作用在于 : 有效控制巷道圍巖結構的完整性 , 最大程度減少有害變形的產生與發展 ; 支護系統的高強度、高剛度及足夠的延伸率能夠適應圍巖變形特性 , 保證圍巖的強度、剛度。

(2) 高預應力及其有效擴散是高預應力強力錨桿支護發揮其作用的關鍵。錨桿托板、鋼帶與金屬網等護表構件性能與強力錨桿相匹配 , 在預應力支護系統中發揮極其重要的作用。

(3) 高預應力強力支護系統在水簾洞煤礦巷道中的應用是成功的 , 巷道圍巖變形顯著降低 , 巷道支護狀況發生了本質的改變 , 為水簾洞礦復雜困難巷道支護提供了參考。