巷道高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力錨桿索強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)效果監(jiān)測(cè)分析

劉 明

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)礦，山西 大同 037052）

隨著煤礦的規(guī)模和產(chǎn)量提高，采掘設(shè)備大型化，要求的巷道斷面不斷增大。通過(guò)多年的研究和實(shí)踐，目前已經(jīng)形成了以錨桿、錨索支護(hù)為主、多種支護(hù)方式共存的巷道支護(hù)局面，對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)起到支撐作用[1-4]。本文針對(duì)四臺(tái)礦8702綜采工作面5702回風(fēng)巷進(jìn)行錨桿、錨索受力監(jiān)測(cè)和巷道變形監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道圍巖表面位移、錨桿索受力分析等來(lái)評(píng)價(jià)在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用的高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿+短錨索強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果，可為礦井后續(xù)類(lèi)似工程條件下最優(yōu)支護(hù)的確定提供參考借鑒。

1 工作面概況

四臺(tái)礦8702綜采工作面位于東盤(pán)區(qū)，煤層厚度2.5～3.1m，平均煤厚2.8m。地面標(biāo)高為1422～1566m，工作面標(biāo)高為970～1012m。5702回風(fēng)巷在實(shí)煤中掘進(jìn)，該巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2450m，沿煤層頂板，破底板掘進(jìn)。5702回風(fēng)巷當(dāng)前支護(hù)主要參數(shù)如圖1所示。

2 井下礦壓監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

四臺(tái)煤礦8702工作面已開(kāi)始回采，對(duì)5702回風(fēng)巷進(jìn)行錨桿、錨索受力和巷道變形監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)巷道長(zhǎng)度從1560m位置至切眼位置。為監(jiān)測(cè)周期來(lái)壓期間巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及圍巖變形規(guī)律，確定將測(cè)站位置布置在1740m位置處，距離開(kāi)切眼300m以外，如圖2所示。具體監(jiān)測(cè)方案如下。

圖2 測(cè)監(jiān)布置位置示意圖

2.1 錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)

（1）錨桿（索）測(cè)力計(jì)

錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)采用MC-500（A/B）錨桿（索）測(cè)力計(jì)進(jìn)行。該測(cè)力計(jì)以剛體應(yīng)變式來(lái)測(cè)量錨索（錨桿）在不同時(shí)期的受力情況，分為MC-500(A)和MC-500(B)兩種，其中M-錨索，C-測(cè)力，500（A/B）-量程。

（2）錨桿（索）測(cè)力計(jì)布置位置

錨桿（索）尾部測(cè)力計(jì)布置位置如圖3所示。頂板新安裝3根錨索，并在尾部安裝錨索測(cè)力計(jì)；頂板新安裝3根錨桿，巷幫靠近工作面?zhèn)葞托掳惭b3根錨桿，靠近煤柱側(cè)幫新安裝2根錨桿，并在錨桿尾部安裝錨桿測(cè)力計(jì)。從而實(shí)現(xiàn)工作面回采過(guò)程巷道全斷面錨桿錨索受力的監(jiān)測(cè)。

圖3 錨桿錨索尾部測(cè)力計(jì)布置

（3）安裝要求及測(cè)量頻度

測(cè)力計(jì)不能安裝在漏水滴水的錨索孔中，測(cè)力計(jì)按圖示要求安裝不能裝反，托板的厚度最好能達(dá)到10mm，調(diào)整測(cè)力計(jì)及萬(wàn)向環(huán)的位置，使測(cè)力計(jì)受力均衡。工作面回采至1890m位置處開(kāi)始監(jiān)測(cè)，該位置與測(cè)站布置點(diǎn)1740m位置距離為150m，每天進(jìn)行井下測(cè)量。

2.2 巷道圍巖表面位移監(jiān)測(cè)

采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)斷面，如圖4所示。采用卷尺和塔尺監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形，監(jiān)測(cè)頻率為每天1次，監(jiān)測(cè)斷面同樣為1740m位置，與錨桿（索）受力監(jiān)測(cè)位置相同。觀測(cè)方法為：在C、D之間拉緊測(cè)繩，A、B之間伸縮塔尺，測(cè)讀AO、AB值；在A、B之間拉緊測(cè)繩，C、D之間拉緊鋼卷尺，測(cè)讀CO、CD值；測(cè)量精度要求達(dá)到1mm，并估計(jì)出0.5mm；采用皮卷尺測(cè)量監(jiān)測(cè)斷面距掘進(jìn)工作面的距離。測(cè)量頻度為：在距離8702回采工作面150m之內(nèi)，每天觀測(cè)一次。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測(cè)斷面布置

3 礦壓監(jiān)測(cè)規(guī)律分析

3.1 錨桿與錨索受力分析

（1）錨桿受力規(guī)律分析

圖5為錨桿受力曲線，包括頂板錨桿、工作面幫錨桿和煤柱側(cè)幫錨桿，具體分析如下。

從頂板和兩幫不同位置的錨桿受力對(duì)比分析可知，整體規(guī)律一致。錨桿施加完預(yù)緊力后，在距工作面110～115m受力減小，在距工作面70～100m受力比較穩(wěn)定，距離工作面70m附近受力突然降低，在距工作面30～75m受力穩(wěn)定，然后在距工作面20m附近受力開(kāi)始減少后逐漸增加，但整體變化不大，幅值低于20kN?？衫斫鉃樵阱^桿施加完預(yù)緊力后，由于預(yù)緊力的損失，造成錨桿受力減少，隨后因距離工作面較遠(yuǎn)，還未受采動(dòng)影響，受力比較穩(wěn)定。在距工作面70m處，由于工作面頂板的周期來(lái)壓，基本頂垮落引起巷道圍巖回彈，錨桿受力突然降低。隨后由于高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)能有效控制巷道圍巖變形，錨桿受力仍比較穩(wěn)定，在距工作面超前20m處布置單體液壓支柱進(jìn)行超前支護(hù)，液壓支柱的初撐力使圍巖變形收斂，錨桿受力減小，隨著工作面的推進(jìn)，巷道圍巖變形逐漸增加，錨桿受力也相應(yīng)增加。

圖5 錨桿受力曲線分析與頂錨索受力曲線分析匯總

通過(guò)對(duì)比不同位置的錨桿受力可以發(fā)現(xiàn)，兩幫錨桿和頂錨桿在施加預(yù)緊力以后均下降，降低幅值高達(dá)30kN。這是由于預(yù)緊力的損失造成的，頂板錨桿比幫錨桿損失值要低，這是因?yàn)轫敯灞容^平整且錨桿施加的預(yù)緊力高，兩幫圍巖凸凹不平、預(yù)緊力低，可見(jiàn)錨桿預(yù)緊力的損失與圍巖表面粗糙度和預(yù)緊力數(shù)值關(guān)系較大。幫錨桿受力變化和頂板錨桿相差不大，均在5kN以內(nèi)，比較穩(wěn)定。這是因?yàn)椴捎玫母邚?qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)技術(shù)能提高圍巖的抗變形能力，但頂錨桿在距工作面70m處抖動(dòng)較明顯，對(duì)周期來(lái)壓下頂板垮落比較敏感。

靠近煤柱幫的錨桿受力比較穩(wěn)定，變化值在1～2kN，靠近工作面幫的錨桿受力變化較大，在3～5kN，均是幫角處的錨桿受力偏低，說(shuō)明底角圍巖已經(jīng)破碎，高應(yīng)力轉(zhuǎn)移后處于泄壓狀態(tài)?？拷ぷ髅鎺偷捻敯邋^桿相對(duì)中間及煤柱幫的頂板錨桿受力變化較大，受工作面采動(dòng)影響大，變化值在5kN左右，頂板3個(gè)錨桿預(yù)緊力相差較大，這與圍巖的非對(duì)稱性有關(guān)。

（2）錨索受力規(guī)律分析

如圖5（d）為錨索受力曲線分析。通過(guò)對(duì)錨索受力規(guī)律分析可知，不同位置的頂板錨索受力變化相同，在距工作面70～90m一直降低，70m處出現(xiàn)抖動(dòng)，迅速降低并開(kāi)始增加，距工作面20～70m錨索受力穩(wěn)定，距離工作面20m后開(kāi)始逐漸增加。這是因?yàn)殄^索在施加完預(yù)緊力后出現(xiàn)損失，錨索受力降低，在距工作面70m處周期來(lái)壓，基本頂垮落造成頂板回彈，引起錨索受力驟降，距工作面20～70m范圍內(nèi)受工作面采動(dòng)影響較小，受力比較穩(wěn)定，距工作面20m范圍內(nèi)為采動(dòng)超前影響段，巷道變形開(kāi)始增加，錨索受力也隨之增加。

對(duì)比錨桿與錨索受力可發(fā)現(xiàn)，二者最大的區(qū)別在于距離工作面20m處，錨桿受力出現(xiàn)降低，而錨索受力幾乎不變。這是因?yàn)樵诔?0m范圍內(nèi)布置的超前單體液壓支柱在圍巖擴(kuò)散范圍較小，錨固深度淺，受其影響較大，而錨索錨固深度大，受其影響較小。

整個(gè)巷道錨桿、錨索幾乎沒(méi)有出現(xiàn)破斷的現(xiàn)象，說(shuō)明該支護(hù)技術(shù)在大幅提高巷道掘進(jìn)速度的同時(shí)，還能有效控制巷道圍巖變形，井下應(yīng)用取得較好效果。

3.2 巷道表面位移分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理，得出巷道頂板及兩幫移近量變化曲線，分析總結(jié)為：從整體來(lái)看，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔兓厔?shì)一致，均是一直增加，增速也在逐漸增加。在距工作面80～115m范圍內(nèi)，巷道頂板及兩幫還未受工作面采動(dòng)影響，比較穩(wěn)定，位移幾乎為零。在距工作面40～80m范圍內(nèi)，巷道頂板及幫部移近量快速增加但變化數(shù)值很小，數(shù)值保持在6mm以下，頂板位移相對(duì)幫部較小，幫部對(duì)采動(dòng)比較敏感。在距工作面40m及以下，頂?shù)装寮皟蓭鸵平垦杆僭黾樱鏊偌s為距工作面40～80m范圍內(nèi)兩倍，說(shuō)明該段受工作面采動(dòng)影響劇烈，但最終的移近量均在18mm以下，滿足礦井生產(chǎn)要求，說(shuō)明采用的高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力錨桿索強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)能顯著控制巷道圍巖變形。

4 結(jié)論

（1）錨桿與錨索監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，不同位置錨桿與錨索受力規(guī)律基本一致，錨桿受力分為4個(gè)階段：預(yù)緊力損失段、頂板周期來(lái)壓驟減段、超前支柱支撐減少段和強(qiáng)擾動(dòng)急劇增長(zhǎng)段，錨索因錨固范圍大，無(wú)超前支柱支撐減少段。無(wú)論是錨索還是錨桿，在工作面回采過(guò)程中變化值不超過(guò)20kN，無(wú)破斷失效現(xiàn)象。

（2）巷道圍巖表面位移監(jiān)測(cè)表明：頂板及兩幫變形規(guī)律基本一致，持續(xù)增加，增加速度先慢后快，但均在20mm以下。

（3）綜合巷道礦壓規(guī)律等分析數(shù)據(jù)，說(shuō)明巷道高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力錨桿索強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)取得較好的技術(shù)應(yīng)用效果。