黃延忠

[摘 要]煤層賦存條件多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分條件頂板結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，軟弱夾層和層理十分發(fā)育，穩(wěn)定性很差，極易發(fā)生離層垮冒；即使在同一巷道內(nèi)頂板賦存狀態(tài)也是頻繁變化，構(gòu)造影響隨處可見、隨時(shí)可遇；同時(shí)煤層硬度系數(shù)普遍低于1.0，煤體松散破碎，錨固性能差，變形強(qiáng)烈；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多數(shù)煤層含有硬度系數(shù)僅為0.2～0.5的軟弱煤線。且目前煤礦采深普遍達(dá)到500～600 m，部分進(jìn)入800 m以下，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力十分突出。

[關(guān)鍵詞]煤礦 錨桿支護(hù) 技術(shù)發(fā)展

中圖分類號(hào)：TD353.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）12-0030-01

一、目前使用錨桿支護(hù)存在的問題

（1）錨桿使用密度很大，圍巖變形仍十分劇烈，支護(hù)效果很不理想；變形量大：1000～2000mm以上；超出樹脂錨固系統(tǒng)的極限，錨固實(shí)效，500～600mm以后的變形量失控。

（2）不能有效控制頂板離層，惡性冒頂事故時(shí)有發(fā)生?？迕艾F(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，安全事故時(shí)有發(fā)生。

二、煤巷錨桿支護(hù)頂板的失穩(wěn)機(jī)理

（1）復(fù)雜條件下煤巷頂板離層失穩(wěn)的原因

頂板的穩(wěn)定性取決于錨固區(qū)內(nèi)外的離層狀況。采用高強(qiáng)樹脂錨桿后，錨固區(qū)巖體得到有效加固，能有效限制錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)巖體的變形，但錨固區(qū)外的弱面離層是高強(qiáng)錨桿支護(hù)技術(shù)面臨的一大挑戰(zhàn)。

（2）錨桿支護(hù)的工作載荷很低

錨桿實(shí)際工作載荷可分三種情況：安裝時(shí)沒有初錨力，工作載荷始終為零；安裝時(shí)初錨力很小，低于15 kN，工作載荷增長(zhǎng)緩慢，穩(wěn)定段載荷值較低；安裝時(shí)提供超過20kN的預(yù)緊力，工作載荷增長(zhǎng)快，穩(wěn)定段載荷值高。

（3）大變形后錨固力衰減錨固實(shí)效

端錨時(shí)在圍巖變形量達(dá)到100 mm時(shí)即開始失效，全長(zhǎng)錨固時(shí)錨桿的可靠性雖大大提高，但圍巖變形達(dá)到200～300 mm時(shí)錨固力也開始降低，達(dá)到500 mm時(shí)即完全喪失。

二、控制頂板離層的基本原理

（1）控制圍巖弱化區(qū)的發(fā)展，消除松散變形

提供的高張拉力不僅完全克服了松動(dòng)巖體的自重，并將該部巖體和更上部擠壓在一起，阻止了圍巖的進(jìn)一步松動(dòng)，消除巖體松散變形。

（2）改善錨桿受力狀況，提高錨桿的支護(hù)效能

根據(jù)錨桿的實(shí)際受力狀況和支護(hù)能效，在很多情況下可以適當(dāng)降低錨桿規(guī)格，在某礦大量采用桿體直徑φ16 mm、φ18 mm的高性能錨桿代替普通φ20 mm的高強(qiáng)錨桿，并取得了更好的支護(hù)效果。

（3）消弱水平應(yīng)力對(duì)頂板的破壞作用

在富含軟弱夾層的薄層狀頂板中，由于弱面和夾層強(qiáng)度很低，自重應(yīng)力就可導(dǎo)致破壞，表現(xiàn)為隨掘隨冒，高地應(yīng)力區(qū)的強(qiáng)水平應(yīng)力必然作用于更大范圍內(nèi)頂板巖層，產(chǎn)生剪切破壞，誘發(fā)頂板離層。

（4）形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)改善頂板的應(yīng)力狀態(tài)，消除頂板中部的拉應(yīng)力區(qū)，同時(shí)減弱兩個(gè)頂角的剪切應(yīng)力集中程度。通過強(qiáng)化頂板弱面，消除拉伸破壞，控制圍巖弱化區(qū)的發(fā)展，使錨固區(qū)載荷趨于均勻并實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳遞，從而形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。

三、兩種狀態(tài)下頂板離層的控制思路

（1）實(shí)體巷道頂板：控制松動(dòng)變形后，強(qiáng)化錨固區(qū)，提高其強(qiáng)度，減小彎曲變形；加大錨固范圍，利用錨索支護(hù)；

（2）沿空掘巷頂板：由于關(guān)鍵巖層的破斷、回轉(zhuǎn)和下沉，錨固區(qū)外必然出現(xiàn)離層區(qū)域。

四、設(shè)計(jì)方法

煤巷預(yù)應(yīng)力支護(hù)設(shè)計(jì)方法仍然是以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬為基本手段開展的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，但如下3點(diǎn)變化使得該設(shè)計(jì)更科學(xué)：1） 充分考慮水平地應(yīng)力影響，因而多數(shù)條件不能簡(jiǎn)化為二維問題；2） 以錨桿預(yù)拉力為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，這在其它設(shè)計(jì)中常常被忽視；3） 以頂板離層，而不是以圍巖變形為巷道穩(wěn)定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)方法大大提高了支護(hù)方案的安全可靠性。相應(yīng)的支護(hù)監(jiān)測(cè)則以錨桿工作載荷和頂板離層為中心開展。

（1）概念

煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)的概念：指能夠在支護(hù)構(gòu)件和頂板間實(shí)現(xiàn)明顯超過松散巖體自重的預(yù)張力、形成頂板預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，并有效控制頂板離層的高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)。

（2）幾項(xiàng)技術(shù)

傳統(tǒng)煤巷錨桿支護(hù)中，錨桿的“三徑”匹配不合理。經(jīng)過大量的地面和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，淘汰了φ43mm鉆孔—φ18mm桿體—φ35mm樹脂卷的落后的“三徑”匹配模式。根據(jù)錨桿規(guī)格，推廣應(yīng)用科學(xué)合理的“φ28mm—φ20mm—φ25mm”、“φ27mm—φ18mm—φ23mm”、“φ30mm—φ22mm—φ25mm”等三種新“三徑”匹配模式，錨固力比原來提高120～147%。

（3） 預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)控制頂層垮冒的技術(shù)

針對(duì)頂板松動(dòng)范圍大，地質(zhì)異常帶等特殊地段，將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩角巖體作為錨固點(diǎn)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，通過抗剪切的預(yù)應(yīng)力鋼絞線傳遞張拉力，直接作用于頂板淺部圍巖的一種支護(hù)方式，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接利用M型鋼帶作受力基礎(chǔ)，并由專用機(jī)具實(shí)現(xiàn)初張力。

該系統(tǒng)作用方式較錨索有很大改進(jìn)，表現(xiàn)如下：肩角作為錨固點(diǎn)的可靠性大大加強(qiáng)，在圍巖變形過程中基本保持穩(wěn)定；錨索與頂板圍巖是點(diǎn)接觸，而桁架則是拉緊的鋼絞線與頂板形成線或面接觸，作用范圍大，松散破碎的頂板巖體受力狀態(tài)好。

（4）煤巷頂板的幾種組合支護(hù)技術(shù)

根據(jù)不同的巷道圍巖分類，頂板結(jié)構(gòu)特性和復(fù)雜程度，采用不同的組合支護(hù)方式，a）預(yù)拉力錨帶網(wǎng)支護(hù)；b） 預(yù)拉力錨帶網(wǎng)索組合支護(hù)；c）預(yù)拉力錨帶網(wǎng)索（桁）架組合支護(hù)。

五、幾項(xiàng)高性能產(chǎn)品

提高支護(hù)產(chǎn)品技術(shù)性能的主要途徑是研究新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)，使其適應(yīng)煤巷破碎圍巖條件，提高錨桿支護(hù)能效。本項(xiàng)研究建立了由高性能錨桿、鋼絞線預(yù)拉力桁架及M型鋼帶等多種支護(hù)形式和結(jié)構(gòu)組成的預(yù)拉力（錨桿）支護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)了錨桿支護(hù)的機(jī)械安裝，大大提高了錨桿支護(hù)的安全可靠性，為解決復(fù)雜困難條件下的支護(hù)問題提供新途徑。

（1） 高性能（預(yù)拉力）錨桿

針對(duì)我國(guó)目前錨桿加工、使用中存在的缺陷和問題，從錨桿桿體材質(zhì)及表面結(jié)構(gòu)的選擇、錨桿快速安裝螺母的研制、絲扣加工及技術(shù)要求、提高錨桿預(yù)拉力的措施等幾個(gè)方面研制新型錨桿的結(jié)構(gòu)和性能，并率先提出高性能錨桿的概念，明確規(guī)范了新型錨桿的技術(shù)性能及加工要求。有6大特點(diǎn)：1） 采用專用規(guī)格的無縱筋左旋螺紋鋼加工，其強(qiáng)度和延伸率符合高強(qiáng)度錨桿對(duì)材質(zhì)的要求，桿體表面凸紋能夠滿足攪拌阻力和錨固要求，有效內(nèi)徑和螺母匹配；2） 外端滾壓成圓，螺紋滾絲加工，3） 扭矩螺母實(shí)現(xiàn)快速機(jī)械安裝； 4） 雙墊片減摩結(jié)構(gòu)，調(diào)整螺母和托盤接觸狀態(tài)，改善錨桿外端桿體受力； 5） 有醒目的標(biāo)志直觀顯示安裝施工質(zhì)量；6） 螺母、托盤、鋼帶等附件尺寸匹配、強(qiáng)度相當(dāng)，性能優(yōu)越。

（2）鋼絞線桁架連接裝置

高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)是控制厚層復(fù)合頂板離層的有效手段，設(shè)計(jì)的雙孔環(huán)形連接器可以十分方便地連接兩根鋼絞線，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳遞高張拉力，施工工藝和張拉過程與小孔徑預(yù)拉力錨索完全一致。

（3）M型鋼帶

針對(duì)國(guó)內(nèi)常用的W型鋼帶容易撕裂和燕式異型鋼帶剛度小的問題研制出新型M型鋼帶，與國(guó)外普遍采用并在我國(guó)廣泛推廣的W型鋼帶相比，M型新型鋼帶具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①其抗彎截面模量為W型鋼帶的3倍左右，因此節(jié)省鋼材，價(jià)格低廉；②高翼緣形斷面，抗撕裂性好，解決了W型鋼帶容易撕裂的問題；③兩個(gè)方向的截面模量差別大，向下截面模量是向上的2.75倍，因此很容易與頂板密貼，同時(shí)向下截面模量很大，能有效控制錨桿間的圍巖松動(dòng)，維持頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

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