趙丙珍
(山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司,山西 大同 037104)
動(dòng)壓巷道受采動(dòng)支承應(yīng)力影響,圍巖變形量大,維護(hù)較為困難,制約礦井高產(chǎn)高效和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益,威脅礦井安全[1-3]。動(dòng)壓巷道的支護(hù)是當(dāng)前礦井面臨的難題之一,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,并針對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式的錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力較小的問(wèn)題,提出通過(guò)監(jiān)測(cè)錨桿內(nèi)力、補(bǔ)打錨桿等方式,提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度。但補(bǔ)打錨桿費(fèi)力費(fèi)工,制約巷道維護(hù)速度,影響礦井的經(jīng)濟(jì)效益[4-8]。平煤礦區(qū)是我國(guó)典型深部開采礦區(qū),開采深度已超過(guò)800m,巷道圍巖軟弱破碎、持續(xù)變形嚴(yán)重,支護(hù)維護(hù)困難,返修率高,礦井提出采用張拉預(yù)緊式錨桿對(duì)原錨桿重復(fù)預(yù)緊,預(yù)緊后巷道圍巖變形量得到明顯改善,有效提高了動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性,減少了返修次數(shù)。
2308運(yùn)輸巷在西翼皮帶大巷西端開口,西側(cè)、北側(cè)為實(shí)體煤;南側(cè)距2306 回風(fēng)巷446.3m;東側(cè)距2306 工作面采空區(qū)(2306 回風(fēng)順槽)37.8m。巷道沿3#煤底板掘進(jìn),煤層平均厚度4.65m,平距傾角3.5°,煤層頂板為泥巖、各粒度砂巖、砂質(zhì)泥巖;底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。巷道掘進(jìn)平距深度850m以上,受礦壓、采動(dòng)影響,巷道兩幫擠出、底鼓嚴(yán)重,從巷道二部皮帶架子246 架向外,需擴(kuò)幫作業(yè),擴(kuò)幫深部約0.6~1.0m。
(1)由于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿施工要求與預(yù)緊方式不匹配,影響轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力效率。
(2)如果為了提高預(yù)應(yīng)力而過(guò)度提高轉(zhuǎn)矩,錨桿會(huì)承受較大的疊加應(yīng)力載荷,發(fā)生破斷。
(3)巷道擴(kuò)幫、巖層松軟等因素造成錨桿預(yù)緊實(shí)效后,錨桿無(wú)法重復(fù)預(yù)緊,造成資源浪費(fèi)。
張拉預(yù)緊式錨桿支護(hù)系統(tǒng)主要由鎖具、張拉千斤頂及錨桿攪拌器組成。
張拉預(yù)緊式錨桿鎖具代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿螺母對(duì)圍巖施加預(yù)緊力,鎖具由夾片和錨環(huán)構(gòu)成,如圖1所示。
圖1 鎖具工作原理圖
由圖1可知,將夾片推入鎖環(huán)后,實(shí)現(xiàn)錨桿的高預(yù)緊力,同時(shí)托盤也會(huì)受到巷道圍巖的反作用力,這個(gè)力通過(guò)托盤傳遞到鎖環(huán),而鎖環(huán)的倒圓臺(tái)結(jié)構(gòu)將這個(gè)沿錨桿徑向的力改變?yōu)榇怪庇阪i具夾片的力,從而使夾片鎖的更緊,即實(shí)現(xiàn)了鎖具的自鎖,當(dāng)圍巖的反作用力越大時(shí),鎖具咬的越緊,避免了退錨的發(fā)生。
錨桿夾片硬度不宜過(guò)大或過(guò)小,硬度過(guò)大韌性不足,易發(fā)生開裂破壞;硬度過(guò)小無(wú)法咬住,易發(fā)生退錨。結(jié)合2308 運(yùn)輸巷地質(zhì)條件,最終確定采用500MPa錨桿的鎖具夾片,硬度需大于HRC35。
(1)千斤頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。張拉千斤頂主要由張拉油缸、帶銷夾片、錨具及固定架組成,其工作原理類似錨索夾片和錨環(huán)鎖定錨桿實(shí)現(xiàn)高的預(yù)緊力,如圖2所示?,F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),鎖具與張拉千斤頂相互配合,通過(guò)張拉千斤頂推動(dòng)鎖具將錨桿鎖緊,達(dá)到提高錨桿預(yù)緊力的目的。
圖2 張拉千斤頂結(jié)構(gòu)工作原理圖
(2)張拉壓力與預(yù)緊力對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算。張拉千斤頂油缸活塞直徑d 為50mm,共有兩個(gè)油缸,則油缸的受力面積S為:
帶入?yún)?shù)可得S=3925mm2。
綜上所述,通過(guò)對(duì)給排水設(shè)計(jì)的實(shí)施優(yōu)化,保證設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)行最優(yōu)化的配置,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。在設(shè)計(jì)質(zhì)量得到保證時(shí),給排水工程在各個(gè)環(huán)節(jié)都可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果,并將城市功能提升得恰到好處,進(jìn)而帶動(dòng)城市的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的目標(biāo),在給排水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)合理規(guī)劃排水工程,全方面地完善施工建設(shè)。
千斤頂1MPa受力f如下:
f=S×10-6m2×1×106N/m
=3.93kN/MPa
帶入?yún)?shù)可得f=3.93kN/MPa。
如?20mmHRB500錨桿,屈服載荷157kN,設(shè)計(jì)預(yù)緊力F為95kN(屈服載荷的60%),則錨桿張拉應(yīng)力P為:
帶入?yún)?shù)可得P=24MPa。
由于張拉式鎖具錨桿已無(wú)需尾紋,為解決常規(guī)攪拌器無(wú)法攪拌此類錨桿的問(wèn)題,需配套采用一種抱鎖式錨桿攪拌器。
取出巷道錨固分離體,探查巷道圍巖裂隙節(jié)理發(fā)育規(guī)律,利用3DEC7.0 建立含初始損傷的單軸抗壓數(shù)值模型,模型尺寸為1.6m×3m×3m,施加預(yù)緊力分別為0kN、30kN、60kN、90kN,具體參數(shù)如表1、表2所示。
表1 圍巖力學(xué)參數(shù)
由圖3可知,安裝錨桿后,錨固體的強(qiáng)度峰值有所提高,且錨固體的強(qiáng)度與錨桿預(yù)緊力呈正相關(guān)。錨桿預(yù)緊力為30kN 時(shí),錨固體峰值強(qiáng)度為7.83MPa,相比零預(yù)緊力的峰值7.53MPa提高了0.3MPa,峰值強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.04;錨桿預(yù)緊力為60kN 時(shí),錨固體峰值強(qiáng)度為7.98MPa,峰值強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.06;當(dāng)預(yù)緊力提高到90kN 時(shí),錨固體峰值強(qiáng)度提高到8.26MPa,峰值強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.10。
圖3 錨固體全應(yīng)力—應(yīng)變曲線
(2)錨固體殘余強(qiáng)度強(qiáng)化作用分析。張拉預(yù)緊式錨桿預(yù)緊力為0、30kN、60kN、90kN 時(shí),錨固體峰后破壞特征與全應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。
由圖4可知,安裝錨桿后,錨固體的殘余強(qiáng)度顯著提高,且隨預(yù)緊力的增加而顯著增大無(wú)預(yù)緊力巖體的殘余強(qiáng)度為2.11MPa,當(dāng)預(yù)緊力為30kN、60kN、90kN時(shí),殘余強(qiáng)度分別為2.38MPa、2.52MPa、2.72MPa,殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)為1.128、1.194、1.29。因此,預(yù)緊力越大,對(duì)錨固體殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化效率越高。
圖4 錨固體峰后破壞特征與全應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖
(3)錨固體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展規(guī)律分析。張拉預(yù)緊式錨桿預(yù)緊力為0、30kN、60kN、90kN 時(shí),錨固體內(nèi)部剪切裂隙分布特征如圖5所示。
由圖5可知,隨預(yù)緊力增大,剪切裂隙貫通程度減小,以水平方向剪切裂隙減少顯著,錨桿主動(dòng)預(yù)緊力約束與被動(dòng)工作載荷約束,對(duì)圍巖表面施加一定的壓力,對(duì)巖體受載擴(kuò)容起到較好的限制作用淺部圍巖的張拉破壞明顯減小,這說(shuō)明預(yù)緊力的提升能有效控制淺部圍巖變形破壞,有利于減少片幫現(xiàn)象。
圖5 錨固體內(nèi)部剪切裂隙分布特征圖
(4)巷道圍巖整體變形破壞特征。張拉預(yù)緊式錨桿預(yù)緊力為0、30kN、60kN、90kN 時(shí),巷道圍巖變形破壞特征如圖6所示。
由圖6可知,隨著預(yù)緊力的增大,巷道圍巖變形量及裂隙發(fā)育數(shù)量顯著減小。巷道錨桿預(yù)緊力為30、60、90kN時(shí),相比無(wú)預(yù)緊力,兩幫相對(duì)移進(jìn)量減少了27%、50.7%、69%,裂隙發(fā)育數(shù)量減少了35%、49.2%、63%。
圖6 巷道圍巖變形破壞特征圖
2308運(yùn)輸巷原擴(kuò)修支護(hù)方案為幫部擴(kuò)修后重新補(bǔ)打3 根直徑為20mm、長(zhǎng)度為2400mm、強(qiáng)度為500MPa左旋高強(qiáng)樹脂錨桿,但擴(kuò)修后預(yù)緊力低,錨桿貼幫護(hù)幫效果差,巷道片幫嚴(yán)重,同時(shí)補(bǔ)打錨桿,費(fèi)力費(fèi)工,制約修巷速度。
采用張拉預(yù)緊式錨桿擴(kuò)幫支護(hù),利用鎖具直接對(duì)擴(kuò)幫后遺留的2000mm 左右的錨桿重復(fù)預(yù)緊,并施加60kN以上預(yù)緊力,無(wú)需補(bǔ)打錨桿。
通過(guò)對(duì)比2308運(yùn)輸巷分別采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿和張拉預(yù)緊式錨桿時(shí)巷道兩幫變形量,驗(yàn)證張拉預(yù)緊式錨桿對(duì)加固巷道圍巖的作用。在20d的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi),巷道圍巖變形情況如圖7所示。
由圖7可知,2308 運(yùn)輸巷采用張拉預(yù)緊式錨桿時(shí)巷道最大圍巖變形量為315mm,較采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿時(shí)減小了252mm。因此,張拉預(yù)緊式錨桿對(duì)原支護(hù)錨桿重復(fù)預(yù)緊后,能夠有效減小巷道圍巖變形量,保證圍巖穩(wěn)定性。
圖7 2308運(yùn)輸巷兩幫變形量
(1)2308 運(yùn)輸巷采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式的錨桿支護(hù)后巷道圍巖變形量大,補(bǔ)打錨桿不僅預(yù)緊力低,錨桿貼幫護(hù)幫效果差,巷道片幫嚴(yán)重,還費(fèi)力費(fèi)工,制約修巷速度。礦井提出采用張拉預(yù)緊式錨桿對(duì)原錨桿重復(fù)預(yù)緊,通過(guò)3DEC7.0 數(shù)值模擬可知,安裝錨桿后,巷道圍巖變形量及裂隙發(fā)育數(shù)量顯著減小,并與預(yù)緊力大小成正相關(guān)。
(2)通過(guò)監(jiān)測(cè)2308運(yùn)輸巷兩幫變形量可知,采用張拉預(yù)緊式錨桿時(shí)巷道最大圍巖變形量為315mm,較采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿時(shí)減小了252mm。由此可知,采用張拉預(yù)緊式錨桿支護(hù)效果優(yōu)于補(bǔ)打傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿,不僅提高了圍巖穩(wěn)定性,還減少了作業(yè)強(qiáng)度和支護(hù)成本。