交子里新建盤區(qū)巷道錨桿支護實踐

馮來榮

(山西汾西礦業(yè)集團新柳煤礦,山西孝義 023000)

交子里新建盤區(qū)巷道錨桿支護實踐

馮來榮

(山西汾西礦業(yè)集團新柳煤礦,山西孝義 023000)

Anchored Bolt Supporting of Roadway in New Panel of JiaoziliColliery

簡述了錨桿支護的方案及高預應力錨桿支護原理,針對交子里新建盤區(qū)受到小煤窯破壞圍巖地質(zhì)條件,在首采 1105工作面采用高預應力錨桿支護試驗,根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析可知,采用高預緊力錨桿 (索)支護有效地控制了巷道圍巖的變形,支護效果明顯。

新建盤區(qū);首采面;巷道支護;錨桿支護

新柳煤礦新建的交子里盤區(qū)主采 11號煤層,與上部 10號煤層層間距約 2.0m。交子里盤區(qū)周邊分布很多地方小煤窯,主采 10號煤層,對 10號煤層造成了嚴重的破壞。加之缺乏詳細的小煤窯開采資料,對 10號煤層的開采范圍和破壞狀況沒有具體的判斷。因而,下部 11號煤層工作面布置和巷道支護存在很多技術難題。新建盤區(qū)遭受小煤窯破壞嚴重,巷道掘進必然遭遇小窯破壞區(qū),而且多數(shù)地段處于近距離小窯采空區(qū)下,巷道支護成為新建盤區(qū)開采的技術難題。

1 高預應力錨桿支護

1.1 錨桿支護方案

錨桿預應力是區(qū)分主動支護,還是被動支護的關鍵參數(shù)。只有及時給錨桿施加較高的預應力才能發(fā)揮主動支護的特性,低預應力錨桿支護仍然處于被動支護的范疇。

錨桿預緊力設計的原則是控制圍巖不出現(xiàn)明顯的離層、滑動與拉應力區(qū)。實踐證明,如果選擇合理的預緊力值,能夠?qū)崿F(xiàn)對離層與滑動的有效控制。根據(jù)國外的經(jīng)驗,以及國內(nèi)部分礦區(qū)的試驗數(shù)據(jù),結(jié)合我國煤礦巷道條件和施工機具,一般可選擇錨桿預緊力為桿體屈服載荷的 30%～50%。

交子里新建盤區(qū)主采 11號煤層,采高平均4.3m,采用綜放開采,工作面巷道斷面比較大,綜合比較首選錨桿支護為最佳方式。但前提條件是,必須及時給錨桿施加高預應力。因此,提出交子里盤區(qū)巷道支護方式為錨桿支護,并且需要給錨桿提供較高的預應力。

1.2 高預應力錨桿支護原理

巷道圍巖一般在 0～2.5m范圍內(nèi)產(chǎn)生第一張拉區(qū),該區(qū)域內(nèi)巖石的黏聚力 C、內(nèi)摩擦角φ、彈性模量 E等均有較大程度的下降。高預應力錨桿安裝后可以及時、有效地控制圍巖第一張拉區(qū)的發(fā)展,維護巷道圍巖的穩(wěn)定。

要維護巷道空間的穩(wěn)定,必須限制圍巖的進一步變形,即限制剪脹變形的發(fā)展。高預應力錨桿正是在巷道開挖完成后及時給巷道圍巖施加較高的支護反力,限制巷道圍巖的早期變形和表面松動、掉落,有效控制巷道圍巖剪脹變形的發(fā)展。預應力錨桿的早承載、快承載的特點,恰好滿足了主動支護中時效性的要求。這可以通過預應力錨桿的支護特征曲線得到很好解釋,如圖 1所示。

圖1 預應力錨桿支護特性曲線

預應力錨桿對巷道圍巖提供的支護荷載主要由2部分組成,即張拉荷載和變形荷載。其支護特征方程可以表示為:

式中,σr為預應力錨桿施加在巷道壁上的平均徑向壓應力,MPa;pr為單根預應力錨桿的張拉荷載,kN;K為預應力錨桿的剛度,kN/m;Δur為巷道圍巖的徑向位移,m;a,b為預應力錨桿的間、排距,m。

由上式可知,預應力錨桿的初始錨固力主要來自于錨桿的初始張拉荷載,屬于主動支護形式。而且根據(jù)需要,預應力錨桿可以提供較高的支護反力,達到控制圍巖剪脹變形發(fā)展的目的,減少和消除巷道離層的發(fā)生。

預應力錨桿為巷道圍巖表面提供的支護抗力,改變了巷道開挖邊界的約束性質(zhì),將開挖后的巷道圍巖由二向受力狀態(tài)向三向受力轉(zhuǎn)變,使得開挖邊界由自由表面變?yōu)槭艿藉^固約束力的非自由表面。這種由預應力錨桿所提供的附加位移,由于其方向與巖體松動方向相反,可以有效地阻止巖體松動的發(fā)展。預應力錨桿對圍巖體松動的約束和削弱,將使巷道圍巖強度的降低受到延緩與遏制。同時,高預應力錨桿對于提高巷道頂板承載能力和控制頂板位移具有重要的作用。

2 井下工業(yè)性試驗

2.1 試驗工作面地質(zhì)概況

交子里盤區(qū)首采 1105工作面,開采 11號煤,無偽頂,直接頂為頁巖、砂頁巖,厚 1.92m,灰黑色、性脆,抗壓強度 38.9MPa,基本頂為 K2灰?guī)r,厚 5.0m,致密、堅硬,抗壓強度 94MPa。直接底為頁巖,厚 5.0m,深灰色、性脆,遇水變軟膨脹,抗壓強度 14.7MPa。巖層柱狀見圖 2。

圖2 巖層分布柱狀

交子里盤區(qū) 1105工作面總體呈一背斜構(gòu)造,軸部位于工作面前半部,運巷距設計停采線約160m,軸向約 N80°,背斜兩翼煤層傾角約 11°,工作面后半部煤層較緩,傾角約 1°,總體平均約4°,屬近水平煤層。

礦井瓦斯相對涌出量 1.19 m3/t,絕對涌出量1.615m3/min,煤層自然發(fā)火期 6～12月。

2.2 巷道支護參數(shù)設計

考慮到首采 1105工作面巷道在掘進過程中設備尺寸、通風要求和巷道圍巖變形預留量,設計1105工作面巷道斷面為矩形,巷道寬 4200mm,高3000mm,掘進斷面為 12.6m2。

頂板布置 5根 20號左旋無縱筋螺紋高強錨桿,長 2200mm,間排距 900mm×900mm;采用 1支K2355和 1支 Z2355錨固劑錨固,并使用厚度3mm,寬度 280mm的W鋼帶,以及 12號鐵絲編織的菱形網(wǎng)護頂,網(wǎng)格為50mm×50mm。

頂板布置單根 1×7股 <15.24mm錨索,長度6300mm,采用 2支 Z2355和 1支 K2355的錨固劑錨固,排距 1800mm,采用三花布置方式,托板規(guī)格為300mm×300mm×16mm。

兩幫采用 16號普通圓鋼錨桿,長度 1600mm,每排 3根,間距 1000mm,每根 1支 Z2355錨固劑端部錨固;采用 <14鋼筋和網(wǎng)孔 50mm×50mm的金屬網(wǎng)護幫。

2.3 關鍵支護參數(shù)設計

交子里盤區(qū)巷道受到小窯破壞,巷道圍巖比較破碎,且壓力大,井下施工必須按照設計要求執(zhí)行,支護設計中具體的關鍵參數(shù)有:

(1)頂板錨桿的初始預緊力矩 300N·m,兩煤幫錨桿初始預緊力矩 100N·m。

(2)頂板錨索的初始預緊力≥150kN。

(3)頂板錨桿的錨固力≥100kN,兩幫錨桿的錨固力≥50kN。

2.4 礦壓觀測

井下試驗階段進行了礦壓觀測,現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)曲線,見圖 3和圖 4。

巷道礦壓觀測表明,兩幫移近量不超過150mm,頂板下沉量不超過 140mm,斷面收縮率控制在 10%以內(nèi);頂板錨固區(qū)離層控制在 8mm之內(nèi),錨固區(qū)外離層控制在 5mm之內(nèi),采用高預緊力錨桿 (索)支護有效地控制了巷道圍巖的變形,支護效果明顯。

3 結(jié)束語

(1)錨桿施加高預緊力能提高錨固區(qū)內(nèi)的力

圖3 巷道頂板離層曲線

圖4 巷道表面位移曲線

學參數(shù),增大黏聚力和內(nèi)磨擦角,提高臨界載荷值。

(2)從巷道掘進階段分析,井下試驗巷道提供的初始設計是較合理的,根據(jù)不同地質(zhì)條件和生產(chǎn)要求,進行了多次修改,支護效果理想,能達到技術指標要求。

(3)對于交子里盤區(qū)巷道支護,如能提高巷幫支護強度,有望減小支護密度,提高掘進速度。特別是對于受小窯破壞嚴重的巷道,必須解決在掘進過程中一次支護成功。

(4)錨桿預緊力矩和錨固力是保證支護充分發(fā)揮作用的 2個關鍵因素,應作為巷道竣工驗收和礦壓監(jiān)測的重要指標。

(5)高預應力錨桿支護有效地控制了巷道圍巖的強烈變形,滿足了礦井安全生產(chǎn)的要求,為交子里盤區(qū)后續(xù)巷道支護提供了有力的技術支撐。

[1]康紅普 .深部煤巷錨桿支護技術的研究與實踐 [J].煤礦開采,2008(1):1-5.

[2]范明建,康紅普 .錨桿預應力與巷道支護效果的關系研究[J].煤礦開采,2007(4):1-3,17.

[3]康紅普 .煤巷錨桿支護動態(tài)信息設計法及其應用[J].煤礦開采,2002(1):5-8.

[責任編輯:林 健]

TD353.6

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1006-6225(2010)03-0073-02

2010-03-02

馮來榮 (1962-),男,山西交城人,工程師,長期從事煤礦生產(chǎn)技術管理工作,現(xiàn)任山西汾西礦業(yè)集團新柳煤礦礦長。