劉洪濤 馬念杰 袁聚良 石建軍 馮吉成 范彥陽

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區(qū),100083)

我國煤礦巷道錨桿支護參數設計多應用工程類比法,一條巷道乃至一個采區(qū)(盤區(qū))的巷道都采用同一支護參數。但煤礦井下圍巖條件復雜多變,有的巷道在幾百米長的范圍內頂板巖層組合形式就多達5種(見圖1),以一種支護參數應用于幾千米長的巷道,不僅會造成巷道在很大范圍內支護強度過剩,局部區(qū)域還會出現支護強度不足,存在著冒頂的隱患。本文以現場應用為基礎,以頂板結構探測儀為基本探測儀器,以頂板結構分類結果為依據,對礦區(qū)或單一巷道進行動態(tài)支護技術研究。所謂“動態(tài)”設計方法,指根據頂板探測、分類結果,對錨桿支護參數設計進行改變,不同類型的頂板采用不同的支護參數,既節(jié)約了支護成本,也減小了冒頂事故發(fā)生的幾率。頂板分類結果隨巷道的掘進、頂板探測密度和數量的加大而逐步細化,直接決定最終支護參數的確定。

圖1 一條巷道內的5種頂板巖層組合

1 煤巷頂板結構探測

由于巷道頂板事故多數是由巖層組合劣化引起的,冒頂部分頂板圍巖與其它穩(wěn)定區(qū)域的圍巖條件不同,一般不屬于同一類別,在這種不同類別的頂板中使用相同的錨桿支護參數必然造成一方面支護強度過剩(占60%以上),另一方面支護強度不足(萬分之五)。因此在進行錨桿支護參數設計時,能否找出頂板易冒頂隱患區(qū)域(劣化區(qū)域),直接影響最終支護效果。采用頂板結構探測儀,可很好地解決這一問題。

巖石特性與錨桿鉆機鉆孔時的鉆進速度V、轉速N和推力T密切相關,鉆進速度V、轉速N和推力T與巖層特性綜合指標R之間可以用函數R=f(V,T,N)表示。因此,可以通過密集、連續(xù)和高精度的同步檢測錨桿鉆機鉆孔時的鉆進速度V、轉速N和推力T來分析判斷頂板不同位置的巖性,從而發(fā)現冒頂隱患。將頂板結構探測儀安裝在錨桿鉆機上,利用錨桿鉆機鉆孔這一施工過程,每0.8～1.0 m對頂板地質情況逐一查明,將巷道劃分為若干區(qū)域,將利用頂板巖層結構探測儀測得的頂板巖層參數進行分類(每個區(qū)域的范圍可以達到足夠小),由此發(fā)現易冒頂頂板隱患,確定其頂板結構類型,從而及時地改變錨桿支護參數或進行補強支護,經現場試驗結果分析,觀測結果與巖芯的實測值間的吻合率達95%。頂板鉆孔巖芯及其與鉆速、推力、轉速的關系對照圖如圖2所示。

圖2 頂板鉆孔巖芯及其與鉆速、推力、轉速的關系對照圖

2 頂板巖層結構分類

目前,國內外巷道圍巖穩(wěn)定性分類方法較多,歸納起來分為兩大類,即靜態(tài)巷道圍巖穩(wěn)定性分類和動態(tài)巷道圍巖穩(wěn)定性分類。但存在一個共性的問題為:分類指標為靜態(tài)指標,這些指標在巷道的局部區(qū)域取得,獲取數量有限。所以,這樣的分類針對性不強。

而利用錨桿(索)鉆機鉆孔支護這一過程,緊跟掘進頭進行頂板結構探測,及時掌握頂板巖層結構的變化情況,使頂板巖層結構判別指標具有及時性和動態(tài)性。以堅硬巖層距頂板的距離、堅硬巖層的穩(wěn)定跨距和巷道跨度3個參數作為頂板穩(wěn)定分類的指標,并按頂板穩(wěn)定性的程度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ種類別,不同類別的頂板采用不同的設計支護方法。

在進行單一巖層穩(wěn)定性分析時,可將巖層簡化為單一的梁,對其進行穩(wěn)定跨距、承載能力的計算,但在現實條件中頂板的巖層往往不是一個連續(xù)的梁結構,被節(jié)理、裂隙切割或已經斷裂為若干塊,這時頂板巖層形成塊體梁的結構,斷裂但未垮落,仍有一定的承載能力,因此可對頂板范圍內任一巖層進行穩(wěn)定性研究。按照塊體梁計算巖層的穩(wěn)定跨距:

式中:L1——巖層的穩(wěn)定跨距;

Rt——巖層抗拉強度極限;

f強、f采、f埋、f地應力——為巖石強度影響系數、采動影響系數、巖層埋深影響系數和地應力影響系數;

h——巖層厚度;

qnx——頂板巖層對第x層巖層施加的載荷。

根據現場具體數據、頂板巖層探測結果及公式(1),可以判斷出頂板穩(wěn)定巖層位置、承載能力與性質。

因此,通過穩(wěn)定跨距計算可以確定該巖層是否穩(wěn)定以及距頂板的距離,進而根據穩(wěn)定巖層位置對頂板巖層結構組合進行分類。不同類別距離分界線根據礦區(qū)具體條件而定。

如神東礦區(qū),使用的錨桿長度大部分在1.6～2 m,錨索長度為6～8 m,因此根據穩(wěn)定巖層確定頂板類別時,其距離分界線為2 m、4 m、6 m。根據煤礦精查階段的鉆孔地質資料,可以初步確定該礦范圍內頂板結構類型,隨著頂板探測工作的進行,頂板鉆孔的密度不斷增加,及時修正、補充頂板結構分類結果,使其更接近現場實際情況。

巷道采用錨桿與錨索聯合支護時,錨索的單根安裝造價約為錨桿的10～15倍,如采用合理的錨桿支護參數,能盡量少用或不用錨索,則巷道的支護費用會大大降低,為煤礦帶來可觀的收益,因此在進行支護參數設計時,根據頂板類型的不同,依次選用圓鋼錨桿(端錨)、螺紋鋼錨桿(加長錨或全長錨)、圓鋼錨桿+錨索、螺紋鋼錨桿+錨索的支護形式。根據頂板巖層穩(wěn)定性分析結果,可以得出不同巖層組合時頂板的結構類型,并根據巷道中頂板類型的變化及時改變錨桿支護參數設計。

(1)Ⅰ類頂板。穩(wěn)定頂板,距頂板2 m范圍內有穩(wěn)定巖層。在錨桿錨固的范圍內存在穩(wěn)定巖層,則直接采用懸吊理論對支護參數進行設計,支護形式采用圓鋼端錨錨桿,如圖3(a)所示。

圖3 不同頂板結構類型支護示意圖

(2)Ⅱ類頂板。中等穩(wěn)定,距頂板2～4 m范圍內有穩(wěn)定巖層;Ⅲ類頂板,不穩(wěn)定,距頂板4～6 m范圍內有穩(wěn)定巖層,根據現場實際情況的不同,Ⅲ類還可分為Ⅲ-1類和Ⅲ-2類。在錨桿錨固范圍內不存在穩(wěn)定巖層,但在錨索的錨固范圍內有穩(wěn)定巖層,這時可采用圓鋼錨桿+錨索的形式進行支護;也可以采用單一的螺紋鋼錨桿(加長錨或全長錨),以錨固串的穩(wěn)定機理為依據,進行支護參數設計,如圖3(b)所示。

(3)Ⅳ類頂板。極不穩(wěn)定,在距頂板6 m范圍內沒有穩(wěn)定巖層。在錨桿與錨索的錨固范圍內均不存在穩(wěn)定巖層,可采用螺紋鋼錨桿(加長錨或全長錨)+錨索的支護方式,形成由錨固串構成的承載結構;也可以采用其它支護型式進行加強支護,如圖3(c)所示。

3 錨桿支護參數動態(tài)設計方法

以某礦的頂板結構分類結果為例來說明動態(tài)設計方法的應用,如圖4所示,圖中不同線條區(qū)域代表不同類型的頂板。

由分類結果可以看出,該礦的頂板巖層組合較為復雜,包括了各種類型的頂板,井田東部(圖右側)以Ⅰ、Ⅱ類頂板為主,頂板結構較穩(wěn)定,中部則以Ⅲ類頂板為主,少部分區(qū)域屬于Ⅳ類頂板,頂板穩(wěn)定性差,西部大部分區(qū)域以穩(wěn)定類型為主,向中部靠近逐步發(fā)展為中等穩(wěn)定類型。圖中左側與右側巷道已掘出或正在開采,中部大部區(qū)域尚在規(guī)劃期。根據分類結果可對已掘巷道支護參數進行評價,對未掘進的巷道按類型進行支護參數設計。

圖4 某礦頂板結構類型分布圖

可將該礦原使用的錨桿支護參數與采用動態(tài)設計方法優(yōu)化后的參數進行比較,巷道尺寸高3.8 m,寬5.4 m。支護參數比較見表1。

原方案采用單一的參數設計,不能適應地質條件的變化,大多數區(qū)域支護過剩,浪費大量的錨索,采用原方案支護至Ⅳ類區(qū)域時,支護強度不足,有冒頂的危險。采用動態(tài)設計方法時,頂板處于Ⅰ、Ⅱ類區(qū)域時,基本取消錨索,不需要二次補強支護,Ⅲ、Ⅳ類頂板錨索優(yōu)化為每排兩根,取消巷道中部錨索,使錨桿-錨索系統(tǒng)協調變形,防止錨索因延伸量不足而發(fā)生破斷進而破壞整個支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對試驗巷道的支護效果監(jiān)測,動態(tài)設計后的參數滿足現場實際需求。

表1 支護參數比較表

根據頂板結構類型分布圖,可以進行如下應用:

(1)對于已掘進好的巷道,可以根據頂板結構類型分布圖對本條巷道現有的支護參數進行評價,及時地發(fā)現支護強度不足之處,對于現有支護強度小于頂板所處類型所需最小支護強度時,要及時采取措施進行補強或加強支護。

(2)對于尚未掘進、未布置工作面的區(qū)域,可以在掘進前就根據頂板類型設計出支護參數,針對不同類型頂板設計出相應合理的支護參數,便于煤礦提前合理地安排生產,使支護設計真正做到安全合理。

(3)進行巷道掘進施工時,施工進行到兩種類型頂板相交叉、變換的區(qū)域時,可提前做好準備。巷道頂板結構變好時,可相應地降低支護強度,節(jié)約人力物力;頂板結構變劣時,增加支護強度,降低冒頂事故發(fā)生的概率,保證工作面安全生產。

4 結論

頂板錨桿支護參數動態(tài)設計方法,可有效地解決我國煤礦巷道當前普遍存在的多數區(qū)域支護強度過剩、局部區(qū)域支護強度不足的問題,既可以節(jié)約支護成本、降低冒頂事故發(fā)生的概率,還可以保證礦井的安全生產和快速掘進,有著很好的發(fā)展和應用前景。因其在應用時以頂板分類結果為依據,所以在很大程度上受頂板結構探測密度、精確度的影響,因此有必要進一步優(yōu)化頂板結構探測儀的性能,使探測結果更精確地反映現場的實際情況。

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