基于锚杆强度深度优化的大断面巷道支护技术

2018-07-06王涛

机械管理开发 2018年6期

王涛

（白洞煤业有限责任公司，山西大同 037000）

引言

在煤炭开采中，回采工作面设备外形不断变大，其产量及强度显著提升。这就需要更大的巷道端面，方可确保内部通风、行人及物资运输。现阶段，回采巷道宽度大约为5～6 m，断面积为15～20 m2，开切眼跨度为10 m，断面积为40 m2[1]。使巷道断面持续变大，支护难度大增。在开采煤层厚度较大的综采放顶煤时，通常会增加工作面的过风断面，获得良好的放煤效果，并提升开采量，使井内通风及瓦斯问题得以顺利解决，大采高综放开采趋势成为行业发展的方向。要加大采高，这肯定会提升回采巷道煤帮高度，由此出现一类高煤帮、大断面巷道。随着巷道高度的上升，煤帮稳定性会下降，并且其形状也会发生变化，对巷道围岩稳定性产生不利影响。煤巷支护存在的各类问题，得益于锚杆支护技术的发展及新型支护材料的应用及有效解决，使其获得显著的经济价值[2]。尽管如此，高煤帮、大断面巷道关系到大采高综放开采，要求必须有更全面、更先进的支护技术。在这总难度较大的巷道中，如果锚杆支护不够强硬，不会有效支护，围岩外形有巨大变化，支护件受到强大压力而受损，都无法确保巷道的安全。

支护超高煤帮、特大断面煤巷，面临巨大难度，当下进行课题研究，其重心是深入研究大断面高强锚杆支护技术。在煤巷锚杆支护技术的前期推广阶段面临诸多问题，主要表现为锚杆直径小、强度不够、无法匹配钻孔直径等，有效巷道外形变化明显。面对这些问题，科研人员全面研究大断面煤巷锚杆支护技术，研制出新型锚杆支护材料有较大强度，已成功实现应用，从而使大断面条件下的巷道支护得以实现和推广[3]。

1 锚杆支护技术与锚杆材料

1.1 锚杆支支护理论分析

锚杆在支护领域一经面世，不少专业人士深入研究了其作用机理。迄今为止，他们创建了关于锚杆支护的各种理论，主要有悬吊理论和组合梁理论等[4]其在具体应用中发挥着重大作用。尽管如此，他们的适用环境各不相同，并存在其缺陷。近几年，全球专家深入研究煤矿巷道锚杆支护技术，并取得了显著的理论成果。通过研究发现，在锚杆支护中，预紧力发挥巨大作用，锚杆能提升围岩强度，并且能有效约束围岩结构面离层、滑动、节理裂隙张开等，还能确保围岩是一个整体。所形成的理论成果能有效增强锚杆支护作用，尤其是提升了大断面复杂困难巷道的支护效果。

1.2 高强锚杆支护材料的研发

增强锚杆杆体的强度，有以下两类方法：第一，研制具有极高强度的专用钢材；第二，有效处理一般性建筑的螺纹钢，加大杆体强度。研制新型高强度锚杆支护材料时，综合运用以上两种方法来实施：在炼钢阶段，设计有较高强度的锚杆杆体材料，运用专业配方，将V、Nb、Ti等元素添加其中，引起钢材力学性能的改变。提升炼钢及轧制技术，引进并应用最新技术，从而确保生产的锚杆杆体有极大强度和良好的延伸率。SMG600型锚杆是新近研制的，其屈服强度超过600 MPa，抗拉强度大概为800 MPa，延伸率基本上都高于20%。SMG600型锚杆的力学试验结果如表1所示[5]。

表1 SMG600号锚杆钢材力学性能测试结果

2 高强度锚杆支护技术的应用

研制出高强度锚杆支护技术后，通过白洞煤业公司C5煤层8112工作面实施的试验，取得良好效果，由此实施推广。下文主要介绍了在掘进及回采受强烈动压影响期间的支护情况[6]。

2.1 大断面巷道高强度锚杆支护

2.1.1 地质与生产条件

工作面主采煤层属于石炭二叠系5号煤层，其厚度最小为10.11 m，最大为13.04 m，其平均值为9.75 m。该区域的煤层在结构上极为复杂，其倾角介于2～6之间，均值为3°，属于井田内可采煤层的主要形式[7]。煤层中的层夹石基本为3～8，夹石的厚度介于0.10～0.30 m之间，有的甚至厚达0.70 m，稳定性非常差且不连续。煤层的顶板通常是砂砾岩和泥岩，而底板由泥岩、细砂岩构成。白洞煤业公司C5煤层5112回风巷，煤矿巷道在掘进过程中主要沿底板进行。因其受到火成岩的侵入，这一煤层的顶煤极不稳定，经常出现断裂，巷道周边的围岩极整体性较差，煤层、岩层不具备连续性，两者经常发生脱离，巷道围岩有比较大的破坏性。5112巷的断面，设计成矩形，其宽度和高度分别为4.5 m、2.6 m。煤体单轴所能承受的压强大约为12～14 MPa。巷道顶板所能承受的应力，其上限是12.90 MPa，垂直方向上承受的应力是11.44 MPa[8]。

2.1.2 巷道支护设计

1）进行数值模拟后的结果分析。将各种方案分别进行模拟，运用FLAC3D数值计算软件，最终明确应用于白洞煤业公司C5煤层5112巷的支护方案。进行模拟，对比各种方案：一是设锚杆的长度和直径不变，当锚杆预紧力不同时，对巷道围岩应力场分布状况受到的影响进行研究。锚杆预紧力矩由小到大，分别为 150 N·m、350 N·m以及 450 N·m，锚杆所受的预紧力对应分别为70 kN、85 kN和105 kN。二是假定预应力和锚索直径不变，锚杆长度按照大小排雷分别为1.6 m、2.1 m和2.5 m时，巷道围岩应力场分布影响（如图1-1所示）。三是设预应力和锚杆长度固定，巷道围岩应力场分布所受的各种锚杆直径的影响（如图1-3所示）。四是设预应力、锚杆直径及锚杆长度固定，巷道围岩应力场分布所受的各种顶板角锚杆布置角度的影响（如图1-4所示）

图1 不同特性锚索产生的应力场分布

在锚杆支护系统中，预应力发挥决定性作用。当预应力等于20 kN时，巷道围岩中，锚杆支护形成的附加应力最大值为0.25 MPa，产生的压应力区区间较小，有效压应力区的分布不连续，为形成统一体，在加大预应力时，由锚杆支护产生的附加应力场应力值一直在变大，产生的压应力区范围也在扩大。当锚杆预应力达到60 kN时，巷道围岩中，锚杆支护形成的附加应力最大值是0.55 MPa，所有的顶板基本上都存在有效压应力区，并构成统一体，使其支护效果全面体现出来。

当锚杆变长时，压应力区范围变大，厚度变厚，其有更大的应用范围。此时锚杆的中上部受到的应压力下降，两锚杆中间的围岩承受较小的压应力。当预应力固定时，随着锚杆长度的增加，会削弱预应力效果，使其主动支护性下降。因此，当锚杆长度增加时，要施加更大的预应力。在巷道围岩中，锚杆预应力会不断扩散，锚杆直径对此会有一定影响。当其值等于18 mm时，在不同锚杆中间的围岩附加应力比较小。当他变大时，其扩散范围更广。在确定锚杆直径时，必须充分分析当地的地质力学因素。要是其中的地应力较大、围岩的完整性不足、采动应力对其有明显影响，则锚杆尺寸必须增大。顶板角锚杆的角度会对巷道围岩附加应力场分布状况有明显的影响。若属于垂直布置，此时的角锚杆与中部锚杆形成的有效压应力连在一起并进行叠加。因此，煤层巷道为水平时，则顶板角锚杆布置要在垂直方向上。

2）支护方案。此前，已经把数值模拟形成的结果有效结合，积累的经验比较多，所以确定白洞煤矿5112工作面时，采用的支护系统应用了高强度锚杆、锚索。设计锚杆的螺纹钢筋直径为20 mm，长度为2.5 m，利用树脂来加长锚固，锚杆所受预紧力矩超过500 N·m。其护顶等所用的是W型钢带，厚度为5 mm，并配合使用菱形金属网。不同的顶板锚杆相距1000 mm，各排相距1000mm。固定锚杆所用的是一支K2335以及两支Z2360低黏度树脂药卷，锚固长1500 mm。在两排锚杆上穿三根锚索，各排相距1500 mm，间距为1800 mm，所有都垂直于顶板岩层，锚索所受的预紧力介于100～120 kN之间[9]。

2.2 支护效果分析

掘进5112回风巷和支护时，有效监测巷道围岩外形的变化状况。如图2所示为巷道表面位移监测曲线，进行巷道掘进作业时，两帮的移近总量为25mm；顶底板移近量为16.6 mm。整体分析可知，这一阶段巷道外形变化不大，有较好的支护作用。

图2 巷道表面位移监测曲线

回采5112工作面后，工作面产生松动，这必然会使巷道围岩应力分布状态发生改变，工作面前方的煤岩体和巷道围岩，应力发生聚集，会影响到巷道围岩的形状。在5112回采工作面之前100 m内，监测巷道的表面位移，所得结果表示如图2-2所示。通过分析可知，当超出工作面79 m，巷道表面位移没有明显改变，从79 m处开始，巷道外形会受到工作面超前支撑压力的影响。在距离65～79 m的位置，巷道两帮和顶底板的形状在相同时间内会出现明显的变动。和监测站相距5m时，两帮移近量总计为250mm，顶底板移近量等于200 mm。就总体而言，在工作面回采期间，巷道围岩并未收到严重破坏，巷道外形变化较小，不回影响到巷道运输和通风[10]。