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赵传祥
[摘 要]分析煤巷掘进片帮问题的产生原因，浅论“超前预应力壁”理论的运用、超前预应力体系在锚杆支护中的应用，以及确定支护参数的方法。
[关键词]煤巷掘进；超前预应力体系；锚杆支护；运用
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）15-0001-01
引言
煤矿掘进施工的过程中，煤巷掘进相对岩巷掘进来说，能有效提高掘进速度，降低掘进强度。与此同时，还能有效增加煤炭的产量。但是，对于成煤条件比较复杂，而且造成煤层赋存的地质条件又多样性时，这给煤巷掘进就带来了很大的困难。在此，就某矿煤巷掘进遇到的软弱煤夹层，造成了掘进的严重片帮问题进行研究、探讨，以减少对生产和安全所带来的一些不利影响。
1 煤巷掘进片帮问题的产生原因
在某工作面顺槽掘进过程中，掘后及时进行锚杆支护，但是由于煤帮煤的普氏系数较小（f<3），却极易发生片帮现象。之前片帮的深度、跨度也不断增大，从而增大了空顶面积，大大增加了巷道冒顶的危险性。同时，巷帮在掘进和采动的影响下，又在不断的扩展片帮，严重威胁着该矿的安全生产。从地质勘查得知，该处距离上层煤较近，煤层在形成的过程中，两层煤间的泥炭层、泥岩或碳质泥岩的互层，造成了岩层间的粘着力降低，且泥炭层或泥岩本身的强度和胶结程度又很弱。综合各种断层和节理因素，则造成了顶板和两帮围岩稳定性降低，围岩水平方向应力较小，进而引发掘后片帮问题。
2 “超前预应力壁”理论的运用
1）组合拱理论简介。对于超前预应力壁的理论和组合拱理论来说，它有相似之处。组合拱理论指的：在巷道围岩的破碎区安装预应力锚杆，从杆体两端起形成圆锥形分布的压应力区，若锚杆间距足够小，那么各个锚杆形成的压应力圆锥体相互交错，这就在岩体中形成一个均匀的压缩带。压缩拱内岩石径向和切向均受一定压力，该岩体则处于三向应力状态，围岩的强度和支承能力显著提高，从而坚固了顶板围岩，并有效降低了冒顶和片帮的发生概率。对其锚杆的单根受力和组合受力情况，见如图1a所示的受力分布。
2）超前预应力壁理论基础和力学分析。超前预应力壁的形成过程：在巷帮与掘进头的交界处打与掘进方向成5？左右夹角的预应力锚杆，根据组合拱的原理不难看出，锚杆锥形体的锚固块上下相互交错，又随着前进方向的锚固块的形成，前后相互交错加固，则就形成了超前掘进头的预应力壁。而超前预应力壁的形成，则可以有效加固煤幫的强度，防止因掘进影响而引起的片帮；再者在掘进头后方的正常补强帮锚杆安装后，与垂直巷帮的帮锚杆则形成了更加坚固的巷帮支护体系；特别是在巷帮浅部，有“超前预应力壁”理论形成的预应力煤帮，这可以有效维护巷道断面的完整性。
从以上各式的分析可知，对应变能进行求微分和偏导数计算，则可以很明显的得出：当超前锚杆形成超前预应力壁时，锚杆所收的外力w越大时，预应力的效果就越好，即初始安装的预紧锚固力能直接影响预应力壁体系作用的发挥；另外在微分分析过程中，还可以得出锚杆偏角、横截面积和锚杆的材质（弹性模量）都有直接的关系，共同影响超前预应力壁体系作用的发挥（其受力效果见如图1b所示）。
3 超前预应力体系在锚杆支护中的应用
1）现场防片帮施工方法。现场掘进施工中，对于煤帮支护前和支护后片帮的问题，可以实施掘进2m便超前帮支护。在垂直煤帮的帮锚杆位置，并行打一根斜向掘进方向的帮锚杆，以提前进行煤帮的支护。具体两帮支护方法如下：①在掘进巷道两帮斜前方打3m的A3圆钢锚杆，锚杆端部偏移掘进方向0.4m左右，锚杆的斜向角度要在10°以内；②在掘锚过程中，可向煤帮垂直打3m的A3圆钢帮锚杆；③帮锚杆排距为lm，每排打3组斜向及垂向锚杆，而靠近顶板的帮锚杆不打斜向长锚杆；④两帮锚杆可采用钢筋梯子梁垂直连接而成。
2）超前预应力壁作用效果评价。对该例工作面辅运顺槽进行的超前支护后，它从本质和理论上进行巷道破坏程度进行了强度加固，采用围岩松动圈理论法进行测试。通过巷帮松动圈大小的测试，对巷道围岩的破坏进行量化分析。开挖巷道会导致地应力和围岩强度的变化，而围岩受力状态由三向变成近似二向，强度下降很多。若集中应力小于下降后的围岩强度，围岩将处于弹塑性状态，围岩可自稳，不存在巷道支护问题；不然，围岩破裂将从周边开始逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，这时围岩中出现一个破裂带，就是围岩松动圈。①围岩松动圈测试：采用超声波无损检测分析仪，应用于煤（岩）体松动圈测试，对被测煤体声波参数测试，可对煤体内部结构进行分析，判断内部破坏情况。围岩松动圈的值主要是围岩强度和围岩应力的函数，它是一个含义丰富的综合指标。该值越大碎胀变形量越大，支护就越加困难。所以在统计的基础上可以用其值作为分类指标，对围岩的支护难度进行分类。②对该工作面辅运顺槽松动圈测试。在掘进稳定阶段，对超前预应力体系锚杆支护的巷道部分进行煤柱帮和割煤帮松动圈测试，布点在顺槽150～200m处，间距为10m松动圈进行测试。结果：割煤帮，范围为0.3～0.6m，平均为0.4m；煤柱帮范围为0.3～0.7m，平均为0.45m。显然，该属于较小的松动圈范围，可采用小松动圈支护方式进行即可。当采取帮锚杆的超前预应力锚杆支护后，在一次、二次采动时，对两帮进行松动圈再测试，范围仅0.4～0.45m左右。显然，这种这种支护方式有效地降低了掘后帮支护的片帮问题，且巷道断面还比较完整。说明超前预应力锚杆增强了巷道两帮的预应力体系，有效减少了冒顶和片帮的发生几率。
4 确定支护参数
在掘后正常的支护时，参数设计可从围岩松动圈支护理论出发，按机理分三种类型设计：①小松动圈，LP<40cm；②中松动圈，LP=40-150cm；③大松动圈，LP>150cm。对应的支护参数：超前锚杆类型为A3圆钢，超前锚杆直径为18mm，超前锚杆长度为3000mm，超前锚杆间距为lO00mm，超前锚杆排距为1000mm，超前锚杆锚固剂类型数量为CK2350×2；锚杆类型为A3圆钢，锚杆直径18mm，锚杆长度2200mm，锚杆间距1100mm，锚杆排距1100mm，锚固剂为CK2350×1；锚索类型为正常钢绞线，锚索直径15.24mm，锚索长度为6500mm，锚索间距为3000mm，锚索排距为3000mm，锚索锚固剂为CK2350×3即可。
结束语
随着矿井开采的延伸，受到深部高地应力的影响或特殊地质条件的影响也多，而造成巷道顶板和两帮的围岩应力过大就会出现掘进片帮和冒顶。若进行超前预应力体系锚杆支护，那么就能在掘进过程中有效防止掘后片帮问题的出现。这一方面可为巷道的正常掘后支护奠定基础，另一方面也提高了巷道使用年限和巷道围岩的稳定性。
参考文献
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