煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)研究

自5月9日以來，河南軌道錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展迅速，形成了用高強(qiáng)度螺旋鋼錨桿代替普通圓鋼錨桿的技術(shù)成果，并在行業(yè)中取得了巨大成功。然而，以下問題限制了該技術(shù)在該隧道中的廣泛使用：1）實(shí)際支撐能力往往遠(yuǎn)低于桿體強(qiáng)度，支撐桿的使用密度高，圍巖變形嚴(yán)重，支撐效果不理想。2）無法有效控制屋頂層，有時(shí)還會(huì)發(fā)生惡意屋頂事故。因此，高強(qiáng)度支撐系統(tǒng)無法可靠性、高效、快速的解決煤路支護(hù)問題。近年來，作者跟蹤了大量道路頂板坍塌和嚴(yán)重頂板變形的工程現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)屋頂變形的原因往往不是屋頂?shù)膹?qiáng)度。支撐結(jié)構(gòu)的性能和屋頂?shù)念A(yù)張力（初凝力）對屋頂?shù)姆€(wěn)定性起著重要作用。提高道路頂板的預(yù)張力可以有效控制道路頂板的沉降，增加錨架之間的間距，減少錨架的用量，提高道路的穩(wěn)定性。本文提出了高速預(yù)測維修技術(shù)的概念，并對相關(guān)問題進(jìn)行了研究。1錨桿選型設(shè)計(jì)20世紀(jì)80年代以前,我國只在簡單條件下使用普通圓鋼錨桿,桿體直徑一般為14mm,16mm,18mm,材質(zhì)為Q235,其屈服強(qiáng)度為235MPa,破斷力均在100kN以下;80年代中后期開始研制高強(qiáng)度錨桿,目前多采用材質(zhì)為20MnSiⅡ級(jí)螺紋鋼作錨桿材料,桿體直徑一般為18mm,20mm,22mm,其屈服強(qiáng)度為340MPa,破斷力均在100kN以上,適用范圍擴(kuò)展到很多復(fù)雜條件,用于煤層巷道的煤巷錨桿支護(hù)比重迅速提高.相應(yīng)地,形成了按鋼材屈服強(qiáng)度σs大小進(jìn)行的錨桿分類:σs<340MPa,為普通錨桿;340MPa≤σs<600MPa,為高強(qiáng)錨桿;σs≥600MPa,為超高強(qiáng)錨桿.我國煤礦目前推廣應(yīng)用高強(qiáng)錨桿,多采用人工擰緊螺母的方式安裝錨桿,初始徑向支護(hù)力一般低于10kN,和圓鋼錨桿維持在同一水平,同屬于低初錨力的支護(hù)技術(shù).而煤巷復(fù)合頂板通常有1～2m厚的松動(dòng)層(頂板煤巖互層),其負(fù)荷大致為20～40kN/m2.這種低初錨力的支護(hù)尚不足于平衡松動(dòng)巖體自重,更談不上有效地加固頂板,控制弱面離層,因而不能形成有效的主動(dòng)支護(hù).筆者針對這種情況,研制出能夠通過高扭矩鉆機(jī)安裝的新型高性能預(yù)拉力錨桿,可以實(shí)現(xiàn)20～30kN以上的初始徑向張力,輔以其他能夠?qū)崿F(xiàn)較高預(yù)張力的預(yù)應(yīng)力錨索、鋼絞線預(yù)拉力桁架等加強(qiáng)支護(hù)手段,不僅能夠平衡頂板松動(dòng)巖體,而且對頂板弱面形成有效約束,離層顯著減少,支護(hù)效果和安全狀況隨之大大改善.由此,形成煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)的概念,是指能夠在支護(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).這是有別于低強(qiáng)度低初錨力的錨桿支護(hù)階段和高強(qiáng)度低初錨力的錨桿支護(hù)階段的一個(gè)相對的階段性概念,是錨桿類支護(hù)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新階段,近幾年高性能錨桿等新型支護(hù)手段的研制和應(yīng)用、大扭矩鉆機(jī)的開發(fā)和推廣等相關(guān)技術(shù)正是按照這一思路迅速發(fā)展的,并初步形成高預(yù)拉力、高可靠性和大間排距的新技術(shù)特征.2錨固區(qū)外的弱面離層煤巷頂板由厚度不等、強(qiáng)度不同的多層巖層組成,其中較上部一層至數(shù)層厚硬巖層不受巷道開挖影響,并產(chǎn)生關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)效應(yīng),一般能夠自穩(wěn),不需支護(hù).而錨固區(qū)巖體和上部穩(wěn)定巖層的剛度不同,必然產(chǎn)生垂向不協(xié)調(diào)變形,即離層.煤巷采用以錨桿為基礎(chǔ)的支護(hù)形式時(shí),其頂板的穩(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,能有效限制錨桿長度范圍內(nèi)巖體的變形,消除錨固區(qū)內(nèi)離層,并產(chǎn)生很大的支護(hù)抗力,但避免不了在錨桿長度以外的頂板中發(fā)生離層,出現(xiàn)垮冒.個(gè)別礦區(qū)在總結(jié)錨桿安全事故的教訓(xùn)時(shí),單純從提高錨桿的規(guī)格和使用密度出發(fā),成本增加很大,事故仍不能避免.因此錨固區(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).高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)克服了普通高強(qiáng)錨桿使用中存在的主要缺陷,通過及時(shí)施加高預(yù)拉力消除巖體松散變形和頂板中部的拉伸破壞;強(qiáng)化頂板弱面,減弱頂板應(yīng)力集中程度,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).這種層狀頂板的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)效應(yīng)不僅大大減少彎曲下沉量,控制弱面離層,而且保持了頂板的完整性,消除了冒頂?shù)氖鹿孰[患.2.1提高支護(hù)效果支護(hù)構(gòu)件提供的高張緊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).根據(jù)我們做的觀測,大部分軟弱煤層巷道在錨桿支護(hù)起作用前,都有100～200mm的圍巖變形量.按文獻(xiàn),端錨時(shí)在圍巖變形量達(dá)到100mm時(shí)即開始失效,全長錨固時(shí)錨桿的可靠性雖大大提高,但圍巖變形達(dá)到200～300mm時(shí)錨固力也開始降低,達(dá)到500mm時(shí)即完全喪失.因此,初期松動(dòng)變形的有效控制十分重要,實(shí)踐中很多煤巷在錨桿支護(hù)未起作用時(shí)就失穩(wěn)了,就是由于對初期變形控制不力,巷道快速變形,很快達(dá)到200mm左右,錨桿錨固力進(jìn)入衰減狀態(tài),對后續(xù)變形控制不力,最終導(dǎo)致支護(hù)失效.根據(jù)大量觀測,深井軟巖巷道(包括煤巷)掘進(jìn)期間圍巖變形普遍在500～800mm以上,金屬支架和普通錨桿支護(hù)此階段即遭到破壞.只有通過提高支護(hù)的預(yù)拉力,初期圍巖變形才能得到控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速增阻,達(dá)到高工作阻力.在高阻條件下實(shí)現(xiàn)讓壓,才可能將巷道掘進(jìn)期間的變形量控制在300～400mm以內(nèi),即高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)才能夠?qū)崿F(xiàn)巷道的長期維護(hù),避免錨固失效,維持內(nèi)層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.2.2頂板抗拉受力變形力學(xué)分析隨頂板支護(hù)巖體中預(yù)應(yīng)力的提高,頂板中部的拉應(yīng)力區(qū)消除,同時(shí)兩個(gè)頂角的剪切應(yīng)力集中程度減弱.當(dāng)支護(hù)提供的預(yù)拉力達(dá)到一定值后,頂板巖層在不同的層位會(huì)出現(xiàn)一定的正應(yīng)變和負(fù)應(yīng)變,其累計(jì)值還不足以造成明顯的頂板下沉,即當(dāng)頂板處于預(yù)應(yīng)力(梁)狀態(tài)時(shí),可以做到不出現(xiàn)橫向彎曲變形,只有縱向的微小的膨脹和壓縮變形.2.3巷道支護(hù)效能錨桿的初錨力對錨桿的工作阻力影響很大,當(dāng)初錨力低時(shí),不僅影響到初期的工作阻力,而且增阻速度顯著降低,錨桿始終不能起到作用.在淮南礦區(qū)同一巷道內(nèi)觀測典型的錨桿實(shí)際工作載荷曲線7條可分3種情況,如圖1所示: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15kN,工作載荷增長緩慢,穩(wěn)定段載荷值較低();安裝時(shí)提供超過20kN的預(yù)緊力,工作載荷增長快,穩(wěn)定段載荷值高(,).這是非常典型的3種狀態(tài),可采用支護(hù)效能(W)來描述式中:s為巷道變形量,mm;F(s)為錨桿的工作載荷,kN.假設(shè),F0為設(shè)計(jì)工作載荷,S0為巷道允許變形量,則設(shè)計(jì)支護(hù)效能W0=F0S0.一種支護(hù)是否起作用,其狀態(tài)是否合理則可以采用能效系數(shù)C描述,C=W/V0,高預(yù)拉力支護(hù)C值可達(dá)到0.7～0.9,初錨力較低的普通錨桿支護(hù)C值僅為0.2～0.3.因而提高初錨力也就在實(shí)質(zhì)上提高了支護(hù)的綜合效能,在同樣的條件下可以采用更少的錨桿,或僅僅通過提高初錨力(支護(hù)的預(yù)張力)就可以達(dá)到更好的效果.事實(shí)上,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,在淮北礦區(qū)大量采用桿體φ16mm,φ18mm的高性能錨桿代替普通φ20mm的高強(qiáng)錨桿,并取得了更好的支護(hù)效果.比如,淮北楊莊礦2002年Ⅲ524機(jī)巷采用普通錨梁網(wǎng)和錨索組合支護(hù),錨桿規(guī)格為φ20×2200mm,間排距800mm,巷道掘進(jìn)時(shí)后路頂板垮冒,迎頭工人被堵住,險(xiǎn)些造成重大安全事故.從多次的現(xiàn)場考察和分析,冒頂表現(xiàn)為整個(gè)錨固區(qū)垮冒,垮冒范圍逐漸擴(kuò)大并最終導(dǎo)致錨索失效,但錨桿載荷一直很低.該礦錨桿支護(hù)一度停止.根據(jù)地質(zhì)條件,調(diào)整設(shè)計(jì)思路,修改支護(hù)方案為高性能預(yù)拉力錨帶網(wǎng)支護(hù),錨桿規(guī)格為M22長為2200mm,取消了錨索,使用效果和安全狀況顯著改善,隨后在類似巷道中廣泛推廣.3預(yù)測決策消耗技術(shù)3.1新型高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿通常采用錨桿支護(hù)作為基本支護(hù)形式,其結(jié)構(gòu)性能和加工工藝如何規(guī)范是實(shí)現(xiàn)預(yù)拉力的重要基礎(chǔ).針對目前錨桿加工、使用中存在的缺陷和問題,需要研制和發(fā)展高性能錨桿.高性能錨桿是指桿體材質(zhì)符合高強(qiáng)度、延伸率及錨固要求,附件完整,整體強(qiáng)度和幾何尺寸匹配,能夠滿足鉆機(jī)連續(xù)一體化安裝并實(shí)現(xiàn)預(yù)拉力的新型錨桿.它比普通高強(qiáng)錨桿具有如下優(yōu)勢:1)螺母、托盤和桿體強(qiáng)度匹配,桿體內(nèi)徑按螺紋要求選取,尾部不需剝皮,消除了13%～30%的尾部螺紋加工導(dǎo)致的強(qiáng)度損失;2)采用扭矩螺母實(shí)現(xiàn)機(jī)械安裝,結(jié)合雙重減摩墊圈保證必需的預(yù)拉力;3)通過特制墊圈的變形直接顯示預(yù)緊力大小和安裝質(zhì)量,可靠性顯著提高.近幾年高性能錨桿在行業(yè)內(nèi)得到迅速應(yīng)用,已在兩淮、徐州、兗州等部分礦區(qū)逐步替代了普通高強(qiáng)錨桿.3.2小孔徑預(yù)拉力錨索在很多條件下單純依靠錨桿提供的預(yù)應(yīng)力尚不能滿足頂板穩(wěn)定性的要求,需要進(jìn)一步采取措施.小孔徑預(yù)拉力錨索和鋼絞線預(yù)拉力桁架兩種方式是適用煤礦井下條件的加強(qiáng)支護(hù)形式,采用簡單的張拉設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)較高的預(yù)拉力,與拉力大小可以在60～150kN范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié).小孔徑預(yù)拉力錨索應(yīng)用較普及,主要在復(fù)雜困難條件下作為加強(qiáng)支護(hù)用,但頂板不穩(wěn)定層厚度超過8～10m,錨索的使用就受到限制,攪拌安裝很不方便,加固效果也大大削弱.這時(shí)可采用鋼絞線預(yù)拉力桁架系統(tǒng).它是將處于受壓狀態(tài)相對穩(wěn)定的的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點(diǎn),通過專有結(jié)構(gòu)鎖緊錨固在兩肩角的鋼絞線,形成桁架系統(tǒng),連續(xù)傳遞水平張拉力,對頂板巖層形成向上的力矩,消除頂板離層,對已松散巖體形成兜護(hù)效應(yīng),防止垮冒.1995年美國首先使用該技術(shù),本課題組引入后,應(yīng)用到淮南、淮北和徐州等部分礦區(qū),國內(nèi)其它礦區(qū)應(yīng)用還較少.實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)的簡易連接裝置如圖2所示,它是由兩套鎖具和一個(gè)雙孔環(huán)組成,該系統(tǒng)以M型鋼帶為承載基礎(chǔ),直接安裝在M型鋼帶上,取消了專用的承載裝置.3.3w型鋼斷面鋼帶是錨桿支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,它是頂板整體結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力支護(hù)思想的基本手段之一,其作用不能忽視.針國內(nèi)常用的W型鋼帶易撕裂、抗彎模量小的缺陷,通過優(yōu)化斷面形狀,設(shè)計(jì)為對稱的高翼緣型斷面,向上彎矩小,容易與煤巖表面密貼,很好的適應(yīng)了頂板的不平整性;向下彎矩大,來壓時(shí)抗變形和撕裂能力強(qiáng),目前常用的一種鋼帶橫截面類似“M”形,叫M型鋼帶.4煤層控頂難點(diǎn)在淮南新區(qū)離層破碎型頂板煤巷中,借鑒了單純強(qiáng)調(diào)錨桿強(qiáng)度導(dǎo)致冒頂?shù)慕逃?xùn),提出利用高預(yù)拉力組合支護(hù)控制頂板離層、并從根本上減緩巷道圍巖的最終變形量的思路,取得實(shí)踐成功并全面推廣.這里以謝橋礦1222(3)綜放工作面運(yùn)輸巷為例簡單介紹.巷道位于13#煤層內(nèi),厚5.26m,硬度系數(shù)0.3～1.8,煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,層理發(fā)育,巷道留頂煤時(shí)自穩(wěn)能力低,控頂難度大;直接頂為3.73m砂質(zhì)泥巖,2～3層煤線;基本頂為2.55m粉細(xì)砂巖,直接底為1.8m砂質(zhì)泥巖,泥巖為深灰色團(tuán)塊狀,粉砂巖較硬.1222(3)運(yùn)輸巷為留4m煤柱沿空掘巷