预应力连续性围岩控制技术在灵东矿的应用

预应力连续性围岩控制技术在灵东矿的应用

随着粉煤灰开采的增多，道路的地质条件变得越来越复杂。对围岩大变形控制技术的研究一直是研究的重点。1锚杆锚索支护回风巷布置在Ⅱ2-1煤中，平均留底煤与顶煤分别为1m与10m左右，断面为5.5m×4.5m的直墙小弧拱形，巷道墙高为3.0m，采用锚网梁索联合支护，具体支护方案如下。采用规格为准18mm×L2.1m的左旋等强螺纹钢锚杆，间排距为0.8m×1.0m，每根锚杆配2支K2350锚固剂。锚索规格为准15.24mm×L6.3m的钢绞线，间排距为1.4m×3.0m，每根锚索采用4支K2350锚固剂。采用直径分别为12mm和5mm的钢筋梁和钢筋网进行护表。锚杆和锚索的设计预紧力分别30kN和120kN。原支护段的巷道围岩变形破坏严重，顶板下沉量在325mm左右，两帮移近量在900mm左右，底鼓量在1000mm左右。针对上述情况，主要进行预应力连续性围岩控制技术研究。2预测的高能耗场的连续性2.1维围岩定位假设锚杆托板为边长2d的正方形，将锚杆托板对围岩表面上的应力q视为均布载荷。以托板1个角点为坐标原点，可以用三维坐标表示围岩内部任意点的位置。基于弗洛林的土力学原理式中：σ根据式（1）和式（2），锚杆预应力在围岩任意点处形成的压应力σ可以表示为：2.2预应力传递效应以灵东矿Ⅱ2-1煤围岩条件为基础，基于预应力连续围岩控制技术，采用FLAC模拟锚杆规格为准20×2100mm，将锚杆划分为21节，其中第15～第21节为锚固段，第1～第14节为自由段。模拟锚杆间距为900m时，预紧力分别为80、100、120、150kN时的应力分布。不同预紧力下围岩应力分布特征如图1。从图1中可以看出，随着预紧力的增大，锚杆作用范围不断增大。当预紧力为80kN时，锚杆间预应力还未相互交错。当预紧力达到100kN时，锚杆间的预应力已经相互叠加，即实现了连续预应力。钢带具有较强的护表作用，且可促进预应力扩散。为研究M5型钢带的预应力传递效应。设计模拟准20×2100mm锚杆，间排距900mm×900mm，预紧力100kN下有无钢带的预应力扩散效应。M5型钢带宽180mm，厚度5mm，材质与锚杆相同。有无钢带锚杆应力场分布云图如图2。由图2可知，随着锚杆钢带的出现，围岩护表面积增加，锚杆预应力开始有效扩散，在围岩表面附近形成有效的连续应力场，支护应力可以三向及时流动，对连续应力场涵盖区域内的裂隙及时挤压，以此增强围岩整体结构达到围岩稳定的目的。上述研究表明提高锚杆预紧力水平与护表构件面积是实现预应力场连续性的有效途径。依据现场操作可行性与生产经验，应将锚杆与锚索的预紧力提高至100kN以上，并配备护表钢带，才具备初步形成锚杆（索）连续性支护应力场。3锚杆的安装及预紧力的确定为有效的控制北翼五面回风巷的稳定性，依据上述研究提出了高预紧力强护表“锚杆+锚索+锚杆+钢带”的强预应力连续场控制方案，强预应力连续场控制方案如图3。为减小围岩暴露面积，同时满足生产需要，缩小了巷道断面尺寸。现采用直墙圆弧拱断面，巷道宽度4.4m，高4.4m，墙高2.2m。顶板采用屈服强度不小于500MPa的Φ20mm×L2100mm左旋高强螺纹钢锚杆，配K2335和Z2360的树脂锚固剂各1支。锚杆间排距为900mm×900mm，预紧力不小于100kN。配规格为250mm×250mm×10mm的高强拱形带调心球垫的托板，采用直径Φ5mm钢筋网和M5型钢带护表。顶板锚索为Φ17.8mm×L6300mm的钢绞线，采用1支规格为K2335和2支规格为Z2360的树脂锚固剂。锚索间排距为2250mm×2700mm，每排3根锚索，预紧力不小于120kN，每3排锚杆布置1排锚索，配规格为300mm×300mm×12mm高强度可调心拱形托板及配套锁具。帮部锚杆采用杆体屈服强度不小于500MPa，规格为Φ20mm×L2100mm左旋高强螺纹钢锚杆。采用K2335和Z2360树脂锚固剂各1支。锚杆的间排距为900mm×900mm，预紧力不小于100kN，配规格为250mm×250mm×10mm的高强拱形带调心球垫的托板，配直径为Φ5mm的钢筋网和M5型钢带护表。帮部锚索规格为Φ17.8mm×L4300mm的钢绞线，采用1支K2335和2支Z2360的树脂锚固剂。锚索间排距为1000mm×2700mm，每3排锚杆布置1排锚索。预紧力不小于120kN。配规格为300mm×300mm×12mm高强度可调心拱形托板及配套锁具。4巷道围岩变形降低将上述方案在北翼五面回风巷进行实践应用，并采用十字测点法对巷道围岩变形进行监测，整理其与原支护方案的变形曲线如图4。由图4可知，原支护段顶板下沉量在325mm左右，两帮移近量在900mm左右，底鼓量在1000mm左右。采用新支护方案后顶板下沉量在69mm左右，两帮移近量在98mm左右，底鼓量在116mm左右，分别比原支护方案变形量降低78.8%、89.1%和88.4%左右，且后期巷道围岩变形趋于稳定，巷道围岩变形降低幅度非常显著。由此证明增强锚杆支护应力场连续性可以有效的控制煤巷的大变形。5巷道围岩变形控制1）通过弹性理论建立了锚杆预应力在围岩中的传递力学模型，从理论方面揭示了锚杆预应力作用，为锚杆预应力设计和研究提供了理论依据。2）在灵车矿巷道围岩地质条件下，当锚杆间排距为900mm×900mm时，预紧力达到100kN时才能实现预应力连续。M5型钢带可以有效扩大锚杆预应力范围。3）在合理减小断面尺寸后，采用“锚杆+锚索+锚网+M5型钢带”强预应力连续场控制方案，使巷道顶板、帮部、底板比原支护方案变形量分别降低78.8%、89.1%、88.4%左右。北翼五面煤巷埋深325～335m，设计北翼五面回风巷长度3133m，煤层平均厚度16m，平均倾角为2.5°。现场