深部軟巖條件下煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究

深部軟巖條件下煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究

1這個問題的提出和理論依據(jù)1.1支護(hù)經(jīng)驗及可改進(jìn)措施作為一種主動保護(hù)的形式，錨桿保護(hù)可以及時加固圍巖，減少圍巖變形，防止早期逃離頂板和片面板。頂板沉降和兩組之間的位移明顯小于框架路徑。我礦在-550m水平全面推廣錨桿支護(hù),錨桿支護(hù)率達(dá)到80%以上。隨著開采深度的增加,2002年以來我礦-850m水平準(zhǔn)備及回采巷道遇到了空前的技術(shù)難題,-850m水平埋深已達(dá)1000m以上,深部軟巖條件下采用原來-550m水平成功支護(hù)經(jīng)驗已不能滿足巷道穩(wěn)定要求,采取錨桿加長措施后,支護(hù)效果仍不理想,因此需及時總結(jié)-550m水平錨桿支護(hù)成功經(jīng)驗及-850m水平支護(hù)困難的教訓(xùn),以便采取針對性措施以滿足巷道支護(hù)要求。通過分析認(rèn)為,-550m水平支護(hù)成功經(jīng)驗是錨桿對圍巖提供了主動約束力,通過人工施加300N·m的預(yù)緊力(相當(dāng)于錨桿軸向力12kN左右)約束破裂圍巖,此主動約束力限制了圍巖的變形,若進(jìn)一步提高支護(hù)對圍巖的約束力,-550m水平將能夠擴(kuò)大錨桿間排距,減小錨桿使用規(guī)格,調(diào)整錨桿預(yù)緊力的大小是目前改善錨桿支護(hù)效果最直接有效的一種方法。1.2預(yù)緊力錨桿的設(shè)置及支護(hù)效果理論和實踐證明,提高錨桿的預(yù)緊力有利于巷道錨巖支護(hù)體的形成,并提高其強(qiáng)度,以產(chǎn)生較大的承載能力。錨巖支護(hù)體中,每一根錨桿的粘著段和托盤之間都形成一個雙錐形的應(yīng)力區(qū)。這個錐體的開角與巖層的摩擦角有關(guān),也和穿過的裂隙層理有關(guān)。在錨巖支護(hù)體中,由錨桿所造成的應(yīng)力沿粘著段和沿托盤的邊緣最大,在錐體的底部應(yīng)力的強(qiáng)度最小。因此只有使錨桿所形成的雙錐體彼此相切,同時還必須對錨桿施加較高的預(yù)緊力,才能進(jìn)一步提高錨巖支護(hù)體的承載能力,也就是說,錨桿支護(hù)區(qū)的厚度及錨桿的預(yù)拉力對錨巖支護(hù)體的承載能力具有決定性的影響。因此,無論巷道圍巖的可錨性如何,選用適合圍巖狀態(tài)具有一定預(yù)緊力錨桿使錨固區(qū)域內(nèi)的巖體相互作用組成錨固體,改變錨固體的應(yīng)力狀態(tài)、力學(xué)參數(shù),并改善其力學(xué)性能,將其由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向應(yīng)力狀態(tài),約束其剪脹變形,使錨固區(qū)域巖體峰值強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均得到強(qiáng)化,提高其自身強(qiáng)度,因而它能夠有效地減少巷道圍巖的破壞區(qū)、塑性區(qū)的范圍和表面位移,從而獲得較大的承載能力,實現(xiàn)圍巖的自穩(wěn)。同樣懸吊理論也認(rèn)為錨桿的主要支護(hù)機(jī)理是將錨固區(qū)域內(nèi)的巖體通過錨桿固定在位移量小相對穩(wěn)定而強(qiáng)度較高的巖層上,這一作用同時也具有對錨固區(qū)內(nèi)的圍巖起到更有效的加固、組成更強(qiáng)的錨巖承載結(jié)構(gòu)的效果。1.3支架及錨桿組合作用支架與圍巖二者既對立,又統(tǒng)一。如果不受支護(hù)阻擋,在地下空間周邊的破裂巖體處于周邊切向和空間軸向的雙軸受力狀態(tài),通常軸向應(yīng)力是中間主應(yīng)力,若忽略它,周邊的破裂巖體就相當(dāng)于處于單軸受力狀態(tài)。這時巖體要產(chǎn)生橫向位移(對采動空間相當(dāng)于徑向位移),而支護(hù)抑制強(qiáng)加于它的這種橫向位移,最后由圍巖和支護(hù)體各自的力學(xué)特性共同決定了各自體內(nèi)的應(yīng)力和位移,但在圍巖與支護(hù)接觸面的法向則應(yīng)該具有相同的應(yīng)力和位移。圍巖的位移特性曲線是雙曲線的一個分支,圍巖位移越小,應(yīng)力越大,位移越大,則應(yīng)力越小,支護(hù)反力與應(yīng)力應(yīng)具有相同的變化趨勢。因此提高支護(hù)對圍巖的約束力,能夠使圍巖位移減小。支架在“支架-圍巖”力學(xué)平衡系統(tǒng)中,只能承擔(dān)極其有限的一小部分載荷,也就是說,支架在圍巖內(nèi)部應(yīng)力平衡關(guān)系中所起的作用是微小的,不能企圖利用支架去明顯改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài),然而支架這個微小的支撐作用卻又是極其重要和必不可少的,因為支架的阻力,尤其是初撐力(預(yù)緊力)較大的支架,能在一定程度上有時還相當(dāng)有效地起到抑制頂板離層、減少頂板下沉量及阻止煤壁片幫等作用,因此支架對限制巷道周圍松動圈內(nèi)的圍巖移動,防止個別危巖冒落等方面都有十分重要和不可忽視的作用。就錨桿的功能而言,由于錨桿具有將松動巖石約束在穩(wěn)定的巖層上的功能,所以它具有懸吊作用;錨桿具有的約束與抗剪作用,一方面可以控制圍巖變形、離層的發(fā)展,另一方面可以使巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài),從而提高巖體的抗剪破壞的強(qiáng)度和承載能力,因此錨桿又具有加固和增強(qiáng)作用。實際上錨桿在圍巖支護(hù)中的作用不是單一的而是組合作用。因錨桿的使用方法和使用條件不同,錨桿組合作用中的某一作用可能起到關(guān)鍵作用。影響錨桿作用的發(fā)揮有多種因素,其中主要的影響因素包括:錨桿構(gòu)件的力學(xué)性能、錨固方式、錨桿的組合方式、錨固巖體的力學(xué)特性及巷道圍巖巖層特性等。1.4高預(yù)緊力錨桿支護(hù)技術(shù)選用25號左旋無縱筋錨桿,長度2.4m,桿尾細(xì)螺紋為M27,采用滾壓加工工藝成型,滾絲長度120~150mm,螺距3mm。極限破斷力400kN,屈服極限294kN,延伸率17%。錨桿配件:采用高強(qiáng)錨桿螺母M27×3,配合高強(qiáng)托盤調(diào)心球墊和尼龍墊圈,托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤,承載能力≮400kN。根據(jù)煤礦支護(hù)技術(shù)手冊,錨桿安裝預(yù)緊力與尾部螺紋規(guī)格及預(yù)緊力矩相關(guān),其換算公式為:預(yù)緊力=5.25×預(yù)緊力矩/螺紋規(guī)格。預(yù)緊力矩為300、400、500、600、800N·m時,預(yù)緊力分別為58.3、77.8、97.2、116.7、155.6kN。實測全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿在300N·m時,預(yù)緊力僅為10~16kN,因此高預(yù)緊力錨桿能夠明顯提高錨桿安裝質(zhì)量。高預(yù)緊力錨桿支護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新點:第一,預(yù)緊力大,加大了錨桿對圍巖的主動約束力,從而控制圍巖的變形,與預(yù)緊力低的螺紋鋼錨桿相比,可降低支護(hù)密度;第二,預(yù)緊力錨桿不易松動,受放炮震動影響比其他類型的錨桿小,如全螺紋鋼錨桿距迎頭10m范圍內(nèi)松動較為嚴(yán)重;第三,桿體采用左旋螺紋,而全螺紋鋼錨桿為右旋螺紋,目前安裝緊固螺母的工具為右旋,采用左旋螺紋右旋安裝方式有利于錨固劑的攪拌,能夠提高錨固段的密實度,錨固效果好;第四,此種錨桿使用機(jī)械安裝,安裝可靠性高,避免了人工操作的隨意性,保證了安裝質(zhì)量,而全螺紋鋼錨桿使用扳手人工緊固,隨意性強(qiáng),難以保證足夠的預(yù)緊力。2應(yīng)用2.1頂頂頂?shù)装寮跋锏篱_口點位置1202E運輸巷沿二煤頂板掘進(jìn),該區(qū)域內(nèi)煤2煤層走向80°~90°,平均厚度2.4m,厚度穩(wěn)定,中間夾一層厚0.02m炭質(zhì)頁巖夾石,煤巖成分以半亮煤為主,硬度系數(shù)f=2~3,煤層傾角20°~26°;直接頂為砂質(zhì)頁巖,性脆致密,水平層理發(fā)育,破碎易冒落,厚6.5m;其上為煤1,黑色,松軟破碎,厚為0.5m;直接底為粘土巖,遇水膨脹變軟,厚度0~0.5m;其下為砂質(zhì)頁巖,厚2.2m,深灰色,塊狀,含植物化石。頂?shù)装逍再|(zhì)見表1。巷道開門點位于1202E運輸巷M6導(dǎo)線點以東14m處,巷道開門按真方位84°沿煤層施工1290m至設(shè)計位置。巷道為錨帶網(wǎng)支護(hù),斷面形狀為梯形。巷道掘進(jìn)斷面11.1m2,全寬3.7m,全高3m;巷道凈斷面8.84m2,凈寬3.4m,凈高2.6m。2.2上幫網(wǎng)及塑料網(wǎng)支護(hù)工藝(1)采用錨帶網(wǎng)及錨索聯(lián)合支護(hù),采用3600“W”或“M”鋼帶配10號菱形鐵絲網(wǎng)(4000mm×1000mm)及6根22全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿(兩肩窩L2400,其余為L2200)支護(hù)頂板,間距750mm,排距1000mm;兩幫各采用20×L2000全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿配鋼絲繩梯子梁(或鋼筋梯子梁、皮帶梯子梁)及塑料網(wǎng)(上幫網(wǎng)3500mm×1000mm、下幫網(wǎng)2000mm×1000mm)護(hù)幫,上幫4根,間距1000mm,下幫3根,間距1000mm,錨固方式為加長錨,每根錨桿使用2根Z2835型樹脂錨固劑。菱形網(wǎng)及塑料網(wǎng)規(guī)格為50mm×50mm。(2)按照每3m打安一根錨索加強(qiáng)支護(hù),其距迎頭最大距離為50m,錨索長度6m,間距3m,安設(shè)在巷道中間偏上0.2m位置。在1202E運輸巷共設(shè)2種觀測手段,表面位移2組、頂板離層指示儀2臺,平均離層量達(dá)到77mm,兩幫位移量達(dá)到583mm,頂?shù)装逡平窟_(dá)到698mm,部分錨索及錨桿被拉斷,鋼帶被撕裂,現(xiàn)有支護(hù)手段不能滿足巷道的需要,須采取措施提高支護(hù)強(qiáng)度。從原支護(hù)設(shè)計現(xiàn)場實施情況看,傳統(tǒng)全螺紋鋼錨桿由于預(yù)緊力低,無法滿足深部煤巷支護(hù)需要。為此引進(jìn)了淮北22×L2000及20×L2200預(yù)緊力錨桿代替全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿,現(xiàn)場試驗平均離層量達(dá)到58.5mm,兩幫位移量達(dá)到314mm,頂?shù)装逡平窟_(dá)到609mm,支護(hù)效果比全螺紋鋼錨桿有所提高,但仍不能滿足支護(hù)要求。2.3預(yù)應(yīng)力錨桿加固支護(hù)錨桿支護(hù)初始設(shè)計采用有限差分?jǐn)?shù)值計算程序FLAC3.3,進(jìn)行多方案比較,最后得出合理的錨桿支護(hù)初始設(shè)計。巷道采用樹脂加長錨固強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。錨桿選用25號左旋無縱筋錨桿,長度2.4m,桿尾細(xì)螺紋為M27,采用滾壓加工工藝成型。極限破斷力400kN,屈服極限294kN,延伸率17%。采用氣扳機(jī)緊固螺母,擰緊力矩應(yīng)達(dá)到800N·m。錨固方式:樹脂加長錨固,采用2支錨固劑,一支為K2835,另一支為Z2860,鉆孔直徑32mm,錨固長度1440mm。鋼帶規(guī)格:采用W鋼帶護(hù)頂幫,鋼帶厚度5mm,寬280mm,長度3.8、3.5和1.8m。錨桿配件:采用高強(qiáng)錨桿螺母M27×3,配合高強(qiáng)托盤調(diào)心球墊和尼龍墊圈,托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤,承載能力≮400kN。網(wǎng)片規(guī)格:采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂護(hù)幫,網(wǎng)片規(guī)格分別為4.5m×0.9m、3.6m×0.9m和1.9m×0.9m,網(wǎng)孔為50mm×50mm,材料為10號鐵絲。錨桿布置:錨桿排距0.8m,每排12根錨桿,頂板錨桿間距900mm,上幫錨桿間距1100mm,下幫錨桿間距為800mm。錨索形式和規(guī)格:錨索材料為18.9mm無涂層七絲左捻鋼絞線,破斷強(qiáng)度≮400kN。3應(yīng)用效果分析3.1礦壓觀測結(jié)果2004年11月初開始在1202E運輸巷試驗,第一段按初試設(shè)計施工40m,礦壓觀測結(jié)果顯示,兩幫及頂?shù)装遄冃瘟烤^小,頂板離層量僅為3mm。為此將錨桿排距放大至1000mm,再施工40m進(jìn)行對比觀測研究。對比觀測情況見表2~6。3.2高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)三種錨桿的數(shù)據(jù)分析見表7。效果評價:淮北改進(jìn)式預(yù)緊力錨桿,雖然預(yù)緊力達(dá)到50kN,但是由于高應(yīng)力作用,仍不能有效控制頂板離層和約束兩幫位移,盡管在錨桿受力和巷道變形量雖有所改善,但還不能滿足支護(hù)設(shè)計要求。高預(yù)緊力錨桿在安裝機(jī)具的配套,錨桿附屬構(gòu)件的選擇及錨固形式上進(jìn)行了優(yōu)化,實現(xiàn)了高預(yù)緊力,高強(qiáng)度錨桿支護(hù),控制頂板離層,約束兩幫位移取得顯著效果。1202E運輸巷使用高預(yù)緊力錨桿,通過利用各種手段進(jìn)行跟蹤觀測研究,巷道支護(hù)狀況發(fā)生了根本性的改變,錨桿斷裂及鋼帶撕裂現(xiàn)象消失,大大降低了巷道的維修量。3.3錨桿的攪拌和錨固劑應(yīng)用中的問題采用MQT-120型錨桿鉆機(jī)打眼及安裝攪拌頂板錨桿,使用風(fēng)煤鉆打幫眼,幫錨桿采用風(fēng)動錨桿安裝器攪拌,力矩偏小,后采用防突鉆機(jī)攪拌幫錨桿,取得了較好的效果,緊固螺母采用2600型氣動扳手,預(yù)緊力矩僅能達(dá)到500N·m,難以達(dá)到初設(shè)800N·m要求,需進(jìn)一步研究高預(yù)緊力安裝機(jī)具。按初始設(shè)計采用2塊樹脂錨固劑,由于攪拌設(shè)備力矩小,經(jīng)常出現(xiàn)錨桿外露超長現(xiàn)象,導(dǎo)致錨桿報廢較多,每排1~2根。為此采取措施將錨固劑減少為一塊Z2860型樹脂錨固劑,之后錨桿外露得到較好的控制。3.4支護(hù)費用與施工費用巷道支護(hù)材料費用對比見表8。由表8可以看出,高預(yù)緊力錨桿支護(hù)段比原支護(hù)巷道多投入材料費用472.91元/m。參照2004年二四層煤巷平均施工費用1400元,修復(fù)費用為原支護(hù)費用的50%,原支護(hù)巷道比高預(yù)緊力錨桿支