白 楊

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700)

1 工程背景

8101工作面走向長度為1817m、傾斜長度為187.4m、面積為340505.8m2，傾角為2°～11°，平均5°。該工作面所采8號煤層裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡單，局部地段煤層下部夾0.2m的頁巖或炭質(zhì)頁巖，厚度變化不大，屬于穩(wěn)定煤層。

煤層頂板(偽頂、直接頂、老頂)：描述煤層頂板巖石性質(zhì)、層理、節(jié)理、厚度、強(qiáng)度(硬度)、頂板分類等情況及其變化情況。煤層頂板情況如表1所示。

表1 煤層頂板情況

水文條件：該綜采工作面最大涌水量25m3/h，正常涌水量為0～5m3/h。瓦斯絕對涌出量為2m3/min。煤塵爆炸指數(shù)為21.33%(煤塵具有爆炸性)，自燃傾向性等級為Ⅱ級(易自燃)。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)機(jī)理研究

隨著綜采工作面巷道的開挖，破壞了該工作面巷道圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，從而造成了巷道圍巖的應(yīng)力集中狀態(tài)。即，將原先的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎蛏踔羻蜗驊?yīng)力狀態(tài)，使得圍巖的承載能力大打折扣。故，需對正在生產(chǎn)的工作面巷道進(jìn)行支護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)作為當(dāng)前的主流支護(hù)技術(shù)，主要從以下幾個方面改善巷道圍巖的狀態(tài)，進(jìn)而提升其承載能力。

1)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)能夠?yàn)橄锏绹鷰r提供表面支護(hù)抗力，進(jìn)而確保巷道圍巖不會繼續(xù)朝著有害變形的方向發(fā)展。此外，高預(yù)應(yīng)力錨桿還能夠?qū)⑾锏绹鷰r的承載能力和控制頂板位移能力上升新的臺階。

2)基于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)能夠?qū)⑾锏绹鷰r形成一個整體，使得其圍巖強(qiáng)度得到了提升，能夠承受頂板給予的徑向載荷。

3)基于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)能夠避免巷道圍巖強(qiáng)度降低，進(jìn)一步從受力狀態(tài)及應(yīng)力場方向優(yōu)化圍巖力學(xué)參數(shù)。

4)采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)能夠使得錨桿支護(hù)特性曲線前移。預(yù)應(yīng)力錨桿能夠促使圍巖與錨桿融為一體，極大地提升其承載能力，避免圍巖與錨桿被分別擊破的現(xiàn)象發(fā)生。

綜上所述，采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)能夠?qū)⑾锏绹鷰r的支護(hù)效果提升到更高的層次，使其支護(hù)能力得到顯著提升。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果驗(yàn)證

為了從定量的角度分析預(yù)應(yīng)力錨桿是如何提升綜采工作面巷道的支護(hù)效果。本文對錨桿施加不同大小的預(yù)應(yīng)力，并對現(xiàn)場的支護(hù)效果進(jìn)行對比分析。

3.1 綜采工作面支護(hù)方案

選取8101綜采工作面其中的一個梯形巷道為研究對象，并對該斷面采用錨桿支護(hù)的方案。該巷道斷面及支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)方案示意圖(單位：mm)

3.2 支護(hù)效果對比分析

基于上述錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梁的支護(hù)方式，安裝時將錨桿的預(yù)緊扭矩設(shè)定為300N·m和600N·m兩種，對比分析不同預(yù)緊扭矩錨桿的支護(hù)效果。其中，與300N·m預(yù)緊扭矩對應(yīng)的預(yù)緊力為50kN，與600N·m預(yù)緊扭矩對應(yīng)的預(yù)緊力為75kN[4]。巷道的支護(hù)效果通過巷道表面位移、頂板離層結(jié)果及錨桿的受力情況三個方面體現(xiàn)。

3.2.1 巷道表面位移情況

通過對巷道兩幫的移近量及其移近速度與頂板位移量及速度進(jìn)行監(jiān)測，得出如表2所示的結(jié)果。如表2所示，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，兩幫及頂板的位移量均在減少，且兩幫及頂板的移動速度均降低。

表2 不同預(yù)緊力錨桿巷道表面位移量及速度對比分析

3.2.2 巷道頂板離層情況

采用巷道頂板離層指示儀對巷道頂板的離層情況進(jìn)行監(jiān)測，得出如表3所示的結(jié)果。

如表3所示，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，頂板離層量明顯降低。

表3 不同預(yù)緊力錨桿支護(hù)的頂板離層情況

3.2.3 錨桿受力情況

不同預(yù)緊力下1—4號位置的錨桿受力情況如表4所示。

表4 不同預(yù)緊力錨桿受力情況分析

如表4所示，隨著錨桿預(yù)緊力的增加錨桿最終受力大小與最初受力大小之間的差值不斷縮小，在有些點(diǎn)最終受力與初始值相等。說明：隨著錨桿預(yù)緊力的增加，錨桿支護(hù)的穩(wěn)定性在不斷提升。

4 結(jié)語

預(yù)緊力錨桿支護(hù)作為當(dāng)前綜采工作面巷道支護(hù)的主流方法，能夠?qū)㈠^桿與圍巖融為一體，使其不易被分別擊破，從整體上提升了巷道圍巖的承載能力。經(jīng)試驗(yàn)表明，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，巷道表面位移量、頂板離層量以及錨桿初始受力與最終受力的差值明顯降低。說明采用適當(dāng)預(yù)緊力的錨桿支護(hù)能夠明顯提升其支護(hù)效果。