王旭宏王玉懷夏歡閣趙啟峰

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,山西省太原市,030024; 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,河北省三河市,065201; 3.開灤 (集團(tuán))蔚州礦業(yè)公司單侯礦,河北省蔚縣,075700)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

復(fù)雜條件下回采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

王旭宏1王玉懷2夏歡閣3趙啟峰2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,山西省太原市,030024; 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,河北省三河市,065201; 3.開灤 (集團(tuán))蔚州礦業(yè)公司單侯礦,河北省蔚縣,075700)

針對單侯礦動壓巷道應(yīng)力疊加影響的復(fù)雜情況,在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上,分析了單侯礦現(xiàn)有支護(hù)存在的問題,研究了采動影響下回采巷道圍巖變形特點(diǎn)。采用錨網(wǎng)支護(hù)加固原理及錨索支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)原理,對現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化,提出了該礦錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計方案。通過現(xiàn)場實(shí)測表明,采用新的支護(hù)方案后,巷道圍巖變形顯著減小,巷道斷面的強(qiáng)烈變形得到有效控制。

巷道支護(hù) 錨網(wǎng)索支護(hù) 支護(hù)參數(shù) 優(yōu)化設(shè)計

AbstractBased on field investigation,problems of roadway support in the complex situation of stress superposition in Danhou Mine are analyzed and an overall investigation is made on the deformation characteristics of surrounding rock under the influence of mining.In addition,using bolt-mesh strengthening principle and anchor supplement support theory,the bolt-mesh-anchor support parameters are optimized and the design scheme of support is put forward.Field observation results show that the roadway displacement is greatly reduced by using the new support scheme and the intensive deformation of roadway cross-sections is effectively controlled.This method provides a decision support for the selection of reasonable support parameters for mining in#6 coal seam and rationalized roadway support in Danhou mine.

Key wordssupport parameter,optimization design,bolt-mesh-anchor support;reinforcement function

單侯煤礦是一個年產(chǎn)150萬t的現(xiàn)代化大型礦井,隨著開采強(qiáng)度的加大,在上下區(qū)段工作面開采情況下,采動應(yīng)力場相互疊加,致使回采巷道圍巖應(yīng)力分布更加復(fù)雜,巷道變形更加強(qiáng)烈,影響礦井的正常生產(chǎn)和安全。為了選擇合理的巷道支護(hù)參數(shù),改進(jìn)現(xiàn)有支護(hù)技術(shù),改善巷道維護(hù)狀況,本文將結(jié)合單侯礦地質(zhì)特征及開采技術(shù)條件,全面考察回采巷道受采動影響的圍巖變形特點(diǎn),對該礦回采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得出合理的巷道支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)。并根據(jù)新的支護(hù)方案在該礦首采區(qū)進(jìn)行了工業(yè)性試驗。

1 巷道概況

6101N綜采工作面為單侯礦6#煤層首采區(qū)工作面,地面標(biāo)高1100～1080 m,工作面標(biāo)高667～718 m。工作面走向長1900 m,傾斜長153 m。平均煤厚3.0 m,煤層傾角3～11°,平均8°。所采6#煤層偽頂厚度0.1～0.4 m,為粉砂質(zhì)泥巖,與直接頂間有一薄層黑色碳質(zhì)泥巖。直接頂厚度8.7 m,為淺灰色粉砂巖?；卷敽穸?3.2 m,為淺灰色細(xì)砂巖。6#煤層直接底為平均厚度0.9 m的淺灰色粉砂巖,老底為厚度12.0 m的灰色細(xì)砂巖。6101N工作面進(jìn)風(fēng)巷沿煤層頂板布置,矩形斷面,巷道寬4.8 m,高3.0 m,采用錨網(wǎng)支護(hù)。

2 錨桿支護(hù)現(xiàn)狀評價

單侯礦應(yīng)用錨桿支護(hù)以來,在礦井開采初期取得了較好的支護(hù)效果。然而,隨著礦井開采深度及強(qiáng)度的加大,原支護(hù)設(shè)計問題逐漸暴露出來,尤其是受采動影響劇烈的回采巷道,錨桿支護(hù)不能有效發(fā)揮作用,圍巖變形更加顯著。一旦受到外部因素的擾動,巷道內(nèi)容易形成應(yīng)力集中,表現(xiàn)為較大的水平應(yīng)力。該構(gòu)造應(yīng)力使巷道圍巖沿著各自區(qū)域內(nèi)的弱面破壞,彈性區(qū)一部分進(jìn)入塑性狀態(tài),擴(kuò)大了塑性區(qū)的范圍,使得錨桿在現(xiàn)有長度條件下,不能深入到關(guān)鍵承載圈,削弱了錨桿的錨固效果。錨桿不能對圍巖提供足夠的徑向、切向約束力,導(dǎo)致破壞區(qū)巖層的擴(kuò)容、離層。失去應(yīng)力平衡的巷道圍巖,如果不能得到支護(hù)體的有效控制,又將沿著原來的裂隙產(chǎn)生新的次生裂隙,而塑性區(qū)的再次流動變形又將次生裂隙擠壓至破壞失穩(wěn),產(chǎn)生新的圍巖破碎區(qū),如圖1所示。

圖1 構(gòu)造應(yīng)力作用下頂板的破壞示意圖

3 支護(hù)設(shè)計優(yōu)化

巷道支護(hù)情況的好壞主要取決于錨桿支護(hù)形式和參數(shù)的設(shè)計。采用錨網(wǎng)索支護(hù)時,在圍巖出現(xiàn)強(qiáng)度破壞之前,錨桿主要通過提供徑向約束和切向約束對錨固范圍內(nèi)的頂板巖層產(chǎn)生圍壓,提高圍巖中弱面的抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度,增強(qiáng)錨固范圍內(nèi)巖層承受水平構(gòu)造應(yīng)力的能力,避免應(yīng)力向上轉(zhuǎn)移形成新的破壞區(qū),使得頂板“弱化高度”得到控制。而錨索主要起懸吊作用,對頂板進(jìn)行深部錨固,將錨桿支護(hù)形成的組合拱承載結(jié)構(gòu)傳遞到堅硬頂板中。這樣錨桿與錨索就組成了耦合支護(hù)系統(tǒng),在巷道頂板形成了耦合承載區(qū),如圖2所示。多排錨桿錨索共同作用,產(chǎn)生了對頂板的連續(xù)支撐點(diǎn),從而減緩了頂板的下沉。

圖2 錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)耦合承載系統(tǒng)

因此,本次支護(hù)設(shè)計的整體思路是:在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上,采取錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施,防止塑性區(qū)擴(kuò)展和錨固區(qū)外圍巖離層,提高錨固體和圍巖耦合支護(hù)效果,最終達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定的目的。

3.1 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)

單侯礦6#煤層首采區(qū)回采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計主要參數(shù)計算。

(1)錨桿長度。

錨桿長度的計算公式:

式中:k——安全系數(shù),取1.1;

L1——錨桿外露長度,取0.1～0.15 m;

Lp——塑性區(qū)寬度,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測,頂板松動圈厚度取1.3～1.4 m;

L2——錨桿錨入圍巖松動圈之外的深度,取0.4 m。

經(jīng)計算L=1.93～2.09 m。

就巷道支護(hù)整體結(jié)構(gòu)而言,錨桿長度太短,在巷道圍巖內(nèi)形成的加固厚度較小,不利于巷道頂板的穩(wěn)定。因此根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)際情況,確定頂板錨桿長度L=2.2 m。

(2)錨桿直徑。根據(jù)錨桿承載能力和錨固力等強(qiáng)度原則確定錨桿直徑,計算公式:

式中:d——錨桿直徑,mm;

Q——錨固力,由拉拔試驗確定,一般為70～100 kN;

σmg——桿體材料抗拉強(qiáng)度,選擇左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,強(qiáng)度取335 MPa。

另據(jù)經(jīng)驗公式

其中L為錨桿長度,取L=2.2 m,則d=20 mm。

因此確定選用?20 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。確定錨桿直徑時,應(yīng)同時考慮錨桿直徑與鉆孔直徑的合理匹配。左旋無縱筋螺紋鋼錨桿直徑與鉆孔直徑的合理匹配是它們的直徑之差,為6～12 mm,實(shí)際上直徑差以7～8 mm為最好。因此,建議單侯礦現(xiàn)場施工選用?28 mm的鉆頭打設(shè)錨桿鉆孔。

(3)錨桿間排距。根據(jù)每根錨桿懸吊巖石載荷大小確定錨桿間排距,即錨桿懸吊巖石載荷 (G =a2lγ)等于錨桿的錨固力Q。則

式中:a——錨桿間距,m;

Q——錨桿的錨固力,一般為70～100 kN;

k——錨桿安全系數(shù),穩(wěn)定頂板取1.5,較穩(wěn)定頂板取1.7,不穩(wěn)定頂板取2.4,很不穩(wěn)定頂板取3;

γ——巖石容重,取25.0 kN/m3;

l——被錨固巖層厚度,取1.6～1.8 m。理論計算結(jié)合工程類比,確定錨桿間排距900 mm×900 mm。

3.2 幫部錨桿支護(hù)參數(shù)

6101N工作面進(jìn)風(fēng)巷煤幫塑性區(qū)寬度

式中:K——應(yīng)力集中系數(shù),取1.2～1.3;

γ——巖層容重,取25 kN/m3;

H——巷道埋深,取400 m;

A——側(cè)壓系數(shù),取0.4;

m——煤層厚度,取3.0 m;

C0——煤層界面上的內(nèi)聚力,取2.5 MPa;

φ0——內(nèi)磨擦角,取30°。

將煤幫塑性區(qū)寬度值代入公式 (1),得幫部錨桿長度:

根據(jù)單侯礦實(shí)際情況,為確保動壓巷道兩幫圍巖穩(wěn)定,巷道兩幫支護(hù)采用直徑20 mm、長2200 mm圓鋼錨桿,左右兩幫各4根,間排距800 mm ×800 mm。

3.3 錨索支護(hù)參數(shù)選擇

錨索支護(hù)主要參數(shù)計算:

(1)錨索材料。參考蔚州礦區(qū)資料和相關(guān)文獻(xiàn),錨索材料一般用高強(qiáng)度、低松弛粘結(jié)式1×7鋼絞線,直徑為15.24 mm。設(shè)計錨固力大于200 kN,預(yù)拉力130 kN。

(2)錨索錨固長度。在錨索支護(hù)設(shè)計中應(yīng)保證鋼絞線與膠結(jié)體有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度,才能保證錨索的支護(hù)效果。按 GBJ86-85要求,錨索錨固長度La應(yīng)符合下式:

式中:k——安全系數(shù),取1.3;

d——鋼絞線直徑,取15.24 mm;

fs——鋼絞線抗拉強(qiáng)度,取1860 N/mm2;

fc——錨索與錨固劑的設(shè)計粘結(jié)強(qiáng)度,樹脂作錨固劑時,取5.0 N/mm2。

經(jīng)計算得:La≥1843 mm。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況,確定錨索錨固長度為2.0 m。錨索采用1只K2360和2只Z2360樹脂錨固劑加長錨固。

(3)錨索長度。錨索宜錨固在圍巖深部較穩(wěn)定的巖層中,長度按下式計算:

式中:L——錨索總長度,m;

La——錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度,取2.0 m;

Lb——需懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度,根據(jù)煤巖綜合柱狀圖,取4.3 m;

Lc——上托板及錨具的厚度,不小于 0.1 m,取0.15 m;

Ld——需要外露的張拉長度,不小于0.2 m,取0.25 m。

考慮直接頂厚度不均勻性,安全系數(shù)取1.05～1.1,則錨索長度為:L=7.04～7.71 m。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,確定錨索長度為7.5 m。

(4)錨索間排距。錨索間排距應(yīng)結(jié)合錨索預(yù)緊力選取,以求與錨桿形成骨架網(wǎng)狀預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。但是,錨索支護(hù)密度不宜過大,否則會顯著增加巷道支護(hù)成本,影響成巷速度。對于單侯礦動壓回采巷道,每2～3排錨桿布置1～2根錨索是比較可行的。具體支護(hù)密度應(yīng)根據(jù)巷道具體條件和施工經(jīng)驗確定。

(5)錨索打設(shè)時間。錨索延伸率較錨桿小得多,在掘進(jìn)面過早打設(shè)錨索會因巷道圍巖的大變形而造成鋼絞線被拉斷,太遲打設(shè)會造成錨桿錨固段與錨索錨固段之間的巖層分離。因此錨索與圍巖強(qiáng)度耦合關(guān)鍵在于打錨索滯后的時間上。在圍巖表面與錨桿錨固段之間巖層急劇變形期內(nèi),不宜采用錨索支護(hù),在圍巖表面與錨桿錨固段之間巖層變形由急劇變形向緩慢變形轉(zhuǎn)化時,是錨索的最佳支護(hù)期。但由于地質(zhì)條件的多變性,這個時間并不好把握。一般按照巷道實(shí)際掘進(jìn)速度,同時考慮現(xiàn)場操作方便,在緊跟掘進(jìn)工作面打設(shè)錨桿,而滯后10 m左右打設(shè)錨索。

4 支護(hù)方案的確定

(1)掘進(jìn)正常地段采用錨網(wǎng)索支護(hù)。頂板采用?20×2200 mm左旋無縱筋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力錨桿,配KT-M5鋼帶和菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。錨桿間排距900 mm×900 mm,其中靠頂板兩側(cè)幫角的錨桿傾斜10°布置,其它錨桿垂直頂板布置,采用加長錨固。在巷道頂板每隔2排錨桿布置1根錨索,即布置形式為“1-0-0-1”,錨索長7.5 m,直徑15.24 mm。根據(jù)單侯礦實(shí)際情況,巷道兩幫采用?20 mm×2200 mm圓鋼錨桿,左右兩幫各4根,間排距800 mm×800 mm。具體支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 正常情況下支護(hù)方案示意圖

(2)遇斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶時的方案調(diào)整。巷道掘進(jìn)過程中遇到地質(zhì)構(gòu)造破壞帶時,圍巖狀況明顯變差,且常出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,此時可在正常支護(hù)方案的基礎(chǔ)上,進(jìn)行局部調(diào)整。頂板錨桿排距改為800 mm,并在巷道兩幫底角各斜向底板打一根?20 mm×2200 mm左旋無縱筋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力錨桿,以充分發(fā)揮底角錨桿在底鼓控制中的重要作用,使整個支護(hù)體強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到提高。具體支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 遇地質(zhì)構(gòu)造帶時支護(hù)示意圖

5 支護(hù)效果監(jiān)測

為檢驗巷道支護(hù)優(yōu)化方案實(shí)施效果,在6101N工作面進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行了巷道表面位移監(jiān)測。在整個觀測期內(nèi),巷道圍巖變形量和變形速度均較小,兩幫位移量210 mm,兩幫移近速度最大22.5 mm/d。頂板下沉量最大182 mm,頂?shù)装逡平俣茸畲?5 mm/d,兩幫及頂?shù)装遄冃瘟烤诳刂品秶畠?nèi)。觀測結(jié)果表明,采用新的支護(hù)方案后,巷道收斂大大變小,圍巖整體穩(wěn)定性良好。

6 結(jié)論

(1)復(fù)雜條件下的煤巷錨桿支護(hù)除了要發(fā)展高強(qiáng)和超高強(qiáng)錨桿以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度匹配外,應(yīng)根據(jù)圍巖強(qiáng)度耦合支護(hù)原理,將錨桿支護(hù)的特性與錨索的力學(xué)特性有機(jī)地結(jié)合起來進(jìn)行總體支護(hù)設(shè)計,使錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能相互匹配,以最大限度地發(fā)揮錨網(wǎng)索整體支護(hù)作用,這是錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的關(guān)鍵。

(2)為適應(yīng)巷道復(fù)雜多變的特點(diǎn),避免深部軟弱巖層界面產(chǎn)生離層導(dǎo)致頂板下沉和跨落,應(yīng)采用錨索加強(qiáng)支護(hù),發(fā)揮其懸吊補(bǔ)強(qiáng)作用。

(3)通過巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化,單侯礦采動影響下的回采巷道錨桿支護(hù)更趨合理,巷道維護(hù)狀況顯著改善。在巷道施工和使用過程中,圍巖整體穩(wěn)定性良好。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

On the optimization of bolt-mesh-anchor support parameter in complex situation

Wang Xuhong1,Wang Yuhuai2,Xia Huange3,Zhao Qifeng2
(1.College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China; 2.Safety Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Sanhe,Hebei province 065201,China; 3.Danhou Coal Mine,Yuzhou Coal Mining Company,Kailuan(Group)Co Ltd,Yuxian,Hebei province 075700,China)

TD 353.6

A

王旭紅 (1967-),男,河北省易縣人,副教授,在讀博士,現(xiàn)在太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院從事采礦工程教學(xué)及科研工作。