全錨索支護軟弱煤層碎脹頂板巷道的探析

宋 斌

(趙莊煤業(yè)有限責任公司,山西長子 046605)

全錨索支護軟弱煤層碎脹頂板巷道的探析

宋 斌

(趙莊煤業(yè)有限責任公司,山西長子 046605)

趙莊煤礦 3號煤層井田由于受到多期地質(zhì)構(gòu)造的影響,煤層松軟破碎,頂板碎脹易剝落,巷道破壞嚴重：頂板下沉易冒落,巷道移近量大,底鼓嚴重,有的地段達到 1m,支護難度較大。根據(jù)趙莊煤礦巷道圍巖變形特征,設(shè)計采用高預(yù)應(yīng)力短錨索支護巷道頂板,通過大幅度提高巷道支護體系的強度和剛度,有效地抑制圍巖變形。在井下的試驗中,采用了高預(yù)應(yīng)力短錨索之后,巷道頂板基本不產(chǎn)生離層,兩幫變形也得到有效控制,圍巖完整性良好,成功地解決了趙莊礦軟弱煤層碎脹頂板的支護難題。

高預(yù)應(yīng)力;短錨索;軟弱煤層;碎脹頂板

1 巷道圍巖變形特征與原支護存在的問題

趙莊礦井目前所采煤層為 3號煤層。由于受多期構(gòu)造運動的影響,井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷層破碎帶、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造非常發(fā)育,煤體松軟破碎,煤巖體內(nèi)節(jié)理裂隙極其發(fā)育,很大程度上降低了煤巖體的強度。

巷道在掘進和使用期間,局部地段出現(xiàn)巷道破壞現(xiàn)象,其破壞形式主要為冒頂、兩幫內(nèi)移以及底鼓現(xiàn)象。

(1)冒頂 如圖 1所示,趙莊礦巷道頂板層理發(fā)育嚴重,直接頂以易風化的泥巖為主,頂板變形和破壞具有時效性：在支護初期,頂板微裂隙尚未擴張,保持一定的完整性,錨桿起到一定的作用;隨著時間推移頂板逐漸變形,煤巖體內(nèi)節(jié)理微裂隙等結(jié)構(gòu)面開始張開,空氣滲透到層理結(jié)構(gòu)面和裂隙中,泥巖風化嚴重,風化后變脆、脫落,裂隙進一步擴張,促使頂板加劇變形,出現(xiàn)離層,頂板的完整性開始破壞,逐步變成塊碎狀和松散狀態(tài),錨桿附近的圍巖開始脫落,錨桿隨之失效。

圖1 頂板下沉變形

(2)巷道兩幫整體向中間擠出 如圖 2所示,在巷道掘進初期,巷道兩幫會出現(xiàn)向外整體擠出、頂板下沉的現(xiàn)象,經(jīng)過一段時間后巷道達到一個新的平衡狀態(tài),基本達到穩(wěn)定。但在掘進相鄰巷道以及工作面回采時,新的變形就會重新發(fā)生,并且變形十分嚴重,有的巷道兩幫甚至接觸,這種整體向外擠出變形一旦發(fā)展到一定程度后就很難控制。

(3)底鼓 趙莊礦存在特殊地質(zhì)構(gòu)造,在東西向有兩條明顯的應(yīng)力集中帶,每條巷道掘進到這一位置都會產(chǎn)生比較明顯的底鼓,在回采期間,相鄰工作面基本頂垮落后,嚴重地段底鼓量達 1.5m。

趙莊礦自建井以來,巷道一直采用錨桿、錨索聯(lián)合支護。但存在以下問題：一是錨桿預(yù)緊力不夠,在掘進階段頂板和兩幫的變形嚴重,不能有效控制圍巖的變形和擴容;加上趙莊礦頂板易風化,巷道掘進后不久頂板就開始風化脫皮,形成網(wǎng)包,經(jīng)常出現(xiàn)前掘后修現(xiàn)象,嚴重影響掘進速度;另外,網(wǎng)包大了后,有可能在連網(wǎng)接口處撕開,形成突破口,一旦碎石外漏,立即就會出現(xiàn)冒頂。二是錨桿、錨索強度不夠,錨桿、錨索被拉斷現(xiàn)象嚴重。三是整體支護剛度不行,無法控制條件差的有害變形。由于巷道變形大,回采時端頭支護困難,影響回采效率。

圖2 巷道兩幫變形

2 高預(yù)應(yīng)力短錨索支護機理

根據(jù)數(shù)值模擬實驗結(jié)果,不同長度錨索的應(yīng)力分布云圖 (圖 3),從中分析可知：隨著錨索長度增加,錨索長度中上部及兩錨索之間圍巖的壓應(yīng)力逐步減小,錨索的支護作用不斷減小;有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍在高度方向上逐漸增加,錨索主動支護作用的范圍增加,隨著錨索長度增加有效壓應(yīng)力區(qū)范圍在寬度方向上變化不明顯,相反有減小的趨勢。

理論上證明了頂板全短錨索支護的合理性以及有效性,當預(yù)應(yīng)力一定時,主動支護性隨錨索長度的增加而減弱。

圖3 不同錨索長度時的應(yīng)力分布

3 巷道支護設(shè)計

考慮到掘進過程中設(shè)備尺寸、通風要求和巷道圍巖變形預(yù)留量,示范巷道 33011巷設(shè)計斷面尺寸如下：矩形,掘進寬度為 5000mm,高為 4200mm,掘進斷面積為 21m2。

(1)頂板支護 錨索形式和規(guī)格：采用 1×19股 φ22-5400mm高強度低松弛預(yù)緊力鋼絞線;每排 4根錨索,間距 1500mm,排距 1500mm;加長錨固,采用 3支樹脂錨固劑,1支規(guī)格為 K2335,2支規(guī)格為 Z2360,錨固長度 1970mm;錨索預(yù)緊力不小于 250kN;錨索托盤：采用 14b槽鋼,長2200mm,槽鋼兩孔間距 1500mm,槽鋼端部距孔分別 200mm和 500mm,其中 200mm的一端朝向巷道兩幫,500mm一端放置在頂板中間,槽鋼內(nèi)配合槽鋼墊片。采用 φ6.5mm的鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng),網(wǎng)孔規(guī)格 100mm×100mm,網(wǎng)片規(guī)格 2700mm×1650mm,網(wǎng)片之間采用鉤結(jié)方式連接,鉤結(jié)長度 100mm。如圖 4(a)所示。

(2)巷幫支護 錨桿形式和規(guī)格：桿體為 22號左旋無縱筋螺紋鋼筋,型號 BHRB500,長度2.4m,桿尾螺紋為 M24;每排 5根錨桿,錨桿排距 1500mm,間距 900mm;樹脂加長錨固,采用 2支低黏度錨固劑,1支規(guī)格為 K2335,1支規(guī)格為Z2360,錨固長度為 1675mm,錨固力不小于150kN,預(yù)緊力矩不小于 400N·m;錨桿均垂直巷幫布置,靠近頂?shù)装宓腻^桿安設(shè)角度為 10°;錨桿托盤采用拱形高強度托盤,規(guī)格 150mm×150mm×10mm;W鋼帶護板規(guī)格 400mm×280mm×4mm;錨索采用 1×19股 φ22-5400mm高強度低松弛預(yù)緊力鋼絞線,每排 2根,錨索距離頂、底板距離分別800mm,1500mm,排距 1500mm;加長錨固,采用3支樹脂錨固劑,1支規(guī)格為 K2335,2支規(guī)格為Z2360,錨固長度 1970mm;錨索預(yù)緊力不小于250kN;錨索托盤采用 300mm×300mm×16mm高強度可調(diào)心托盤及配套鎖具;網(wǎng)片采用 10號鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng),網(wǎng)格為 50mm×50mm,網(wǎng)片規(guī)格為 4300mm×1650mm,網(wǎng)片之間采用搭接方式用 16號鐵絲連接,搭接長度 100mm,每排每幫 2片。如圖 4(b)所示。

圖4 巷道支護示意

4 礦壓分析及支護效果評價

4.1 頂板離層

大巷中共布置了 15個頂板離層儀,監(jiān)測數(shù)據(jù)如表 1所示。

表1 頂板離層值

由表 1可知,頂板得到了有效控制,總離層平均值 20.3mm,頂板下沉量比較小。

4.2 巷道表面位移監(jiān)測

隨著掘進面的推進,利用十字布點法監(jiān)測巷道表面位移,監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖 5,在掘進初期 100m內(nèi),巷道有一定變形,之后長期保持了穩(wěn)定。

圖5 巷道表面位移監(jiān)測

4.3 錨索、錨桿測力計

受力監(jiān)測曲線如圖 6所示。隨著巷道的推進,頂板和兩幫受力逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 錨索受力監(jiān)測曲線

從監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場支護效果 (如圖 7)可以看出,采用高預(yù)應(yīng)力短錨索支護方案后,巷道離層和位移得到了有效控制,取得了良好的支護效果。

圖7 高預(yù)應(yīng)力短錨索現(xiàn)場支護效果

5 結(jié)論

(1)高預(yù)緊力支護系統(tǒng)在于控制錨固區(qū)內(nèi)的擴容變形和破壞,保持頂板和兩幫圍巖完整,形成穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。

(2)高預(yù)應(yīng)力短錨索較低預(yù)應(yīng)力長錨索支護能更好地發(fā)揮主動及時的支護作用,在趙莊礦軟弱煤層碎脹頂板條件下取得了滿意的支護效果,擴大了錨桿支護的應(yīng)用范圍,為類似條件下的巷道支護提供了現(xiàn)場依據(jù)。

(3)錨索長度的選擇應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件和巷道斷面情況進行科學合理的選擇,但并不一定非得打到基本頂穩(wěn)定巖層。在高預(yù)應(yīng)力作用下形成“剛性”頂板,允許頂板有一定的整體下沉,但不能破壞頂板的完整性。

[1]康紅普,王金華 .煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2007.

[責任編輯：鄒正立]

Discussion on Supporting Roadway with Broken Soft Roof by Fully Anchored Rope in Soft Coal Seam

SONG Bin
(Zhaozhuang Coal Mining Co.,Ltd,Zhangzi 046605,China)

Influenced by multi-stage geological tectonic,3rd coal-seam of Zhaozhuang Colliery was soft and broken,its roof was easy to fall,and roadway damage was serious.Roadway supporting was very difficult because surrounding rock deformation was very large and floor heave might amount to 1m.Based on roadway deformation characteristic of Zhaozhuang Colliery,short anchored rope with high pre-stress was applied to controlling deformation by improving supporting strength and stiffness.Underground practice showed that roof would not separate and deformation of two-side was controlled effectively after applying short anchored rope with high pre-stress.The difficult problem of supporting broken soft roof was solved.

high pre-stress;short anchored rope;soft coal-seam;broken soft roof

TD353

A

1006-6225(2011)01-0071-03

2010-08-16

宋 斌 (1978-),男,山西晉城人,工程師,趙莊煤業(yè)總工程師。