王紅兵
(山西晉煤集團 澤州天安靖豐煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)
近年來隨著采煤技術以及機械設備的快速發(fā)展,在條件適宜的情況下,大采高工作面已越來越普遍。寺河礦作為一個高產(chǎn)高效礦井,瓦斯含量特別高,嚴重影響各項工程的進展,西二盤區(qū)巷道在掘進支護過程中,圍巖十分破碎,巷道變形嚴重,頂板和兩幫位移較大,底鼓劇烈。錨桿、錨索、鋼筋托梁、槽鋼托梁和金屬網(wǎng)片等支護構件受力很大,變形明顯,甚至出現(xiàn)破斷,網(wǎng)兜現(xiàn)象嚴重,巷道支護效果差,巷道安全達不到根本保證。為此急需針對寺河礦的特殊地質條件,探尋適合該礦一次使用巷道的支護技術。
寺河煤礦現(xiàn)開采3號煤層,該煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部,埋深為403 m,煤層厚度平均為6.24 m,普遍含有夾矸2層,為穩(wěn)定煤層,全區(qū)可采,煤層傾角平均為4°,內(nèi)生節(jié)理裂隙發(fā)育。單軸抗壓強度平均為17.72 MPa。寺河煤礦W2301工作面為一次采全高工作面,工作面長度200 m,工作面由東向西依此布置有15巷、11巷、13巷、12巷和14巷,其中15巷與11巷間煤柱中-中為20 m,13與12巷間煤柱中-中為35 m,12與14巷間煤柱中-中為20 m。工作面北側布置切眼,南側布置回撤通道。回采巷道、切眼和回撤通道均沿煤層底板掘進。本文主要研究23013巷,巷道整體處在一個中間低兩頭高的寬緩向斜區(qū)域,煤層整體較平,坡度變化范圍為0°~8°,平均為5°。直接頂為砂質泥巖和中粒砂巖,砂質泥巖呈灰黑色,中厚層狀,平均厚度為4.16 m,中粒砂巖呈深灰色,厚層狀,平均厚度為3.4 m;老頂為砂質泥巖,呈灰黑色,中厚層狀,平均厚度為11.8 m;底板為砂質泥巖,呈灰黑色,中厚層狀。
近年來隨著煤巷錨桿支護技術的快速發(fā)展,對錨桿支護理論的研究也取得較大進展,經(jīng)大量的研究發(fā)現(xiàn),錨桿支護的本質是改善錨固區(qū)圍巖力學性能與應力狀態(tài),從而控制圍巖變形和破壞。本文針對寺河礦W23013巷道圍巖破碎、巷道變形嚴重等問題,運用康紅普研究院提出的高預應力、強力支護理論,分析復雜條件下錨桿的支護作用。
巷道圍巖變形主要包括結構面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等擴容變形(不連續(xù)變形),和圍巖的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形等(連續(xù)變形),開巷后圍巖先產(chǎn)生不連續(xù)變形。預應力錨桿支護主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的擴容變形,使錨固區(qū)圍巖成為剛度較大的承載的結構,同時改善圍巖深部的應力分布狀態(tài)。通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構件將錨桿預應力擴散到深部圍巖中,實現(xiàn)預應力有效擴散,對支護效果起著決定性作用。預應力錨桿支護系統(tǒng)的剛度大于一定的值時,錨固區(qū)才能不產(chǎn)生明顯離層,圍巖變形得到有效控制,其關鍵是錨桿預應力。因此,對于條件復雜巷道,應采用高預應力、強力錨桿支護。
根據(jù)本文研究背景的具體地質和技術條件,運用數(shù)值模擬軟件分別模擬了不同錨桿直徑、不同錨桿錨索間排距情況下,錨桿錨索在零原巖應力場中的擴散情況。對比分析可知:①23013巷兩幫施工4根直徑為22 mm的錨桿能在巷幫形成有效的壓應力疊加區(qū)域,錨桿預應力擴散效果明顯。②23013巷頂板錨桿預應力擴散效果明顯,當頂板布置6根錨桿時,壓應力疊加區(qū)域非常明顯;當頂板布置5根錨桿時,壓應力疊加區(qū)域不能覆蓋整個頂板,兩根錨桿之間煤巖體的壓應力值較6根錨桿情況下有一定減少。③錨桿直徑對預應力在錨桿長度方向一定影響,錨桿直徑為22 mm時,沿著錨桿長度方向圍巖受力更為均勻;同時錨桿直徑的增加,錨桿本身的力學性能增強,在受到動壓影響下抗沖擊性能更強而不易被拉斷或剪斷。部分模擬圖片,見圖1。
圖1 預應力場分布
為分析巷道掘進階段錨桿間排距、錨桿直徑和錨索排距對支護效果的影響,首先模擬分析無支護狀態(tài)下,巷道圍巖變形破壞情況。由數(shù)值模擬分析可知,在無支護作用時,巷道頂板及兩幫塑性區(qū)發(fā)育范圍較大,破壞嚴重,巷道頂板及兩幫變形量較大,分別達到285 mm和389 mm。
1)頂板錨桿根數(shù)。模擬頂板每排5根、6根和7根錨桿三種情況下巷道圍巖變形量。分析可知:5根錨桿時,巷道頂板下沉量和兩幫相對移近量分別為163 mm和256 mm,分別降低42%和34%;6根錨桿時,巷道頂板下沉量和兩幫煤體相對移近量分別為86 mm和165 mm,降低量達到69%和57%;7根錨桿時,支護狀況與6根錨桿時接近,頂板及兩幫變形量變化不大。
2)頂板錨桿直徑。錨桿直徑是影響支護強度的重要因素,對18 mm、20 mm、22 mm、24 mm四種不同錨桿直徑下巷道圍巖變形量模擬分析可知:巷道頂板下沉量和兩幫相對移近量與錨桿直徑成反比例關系,即頂板下沉和兩幫相對移近量隨著錨桿直徑增大而減小,且直徑小于22 mm時,頂板下沉量變化很快,大于22 mm時,頂板下沉量變化不明顯。
3)頂板錨桿排距。結合礦井以往支護經(jīng)驗,模擬分析1.0 m和1.1 m兩種排距時,巷道頂板下沉量的變化情況。排距為1.0 m時,頂板下沉量為86 mm;排距為1.1 m時,頂板下沉量為142 mm,相比增加56 mm??梢娕啪嘤?.0 m增大到1.1 m時,對支護效果影響很大。
4)頂板錨索排距。對2 m、3 m和4 m三種錨索排距進行模擬,可得出:隨著錨索排距的增加,巷道頂板下沉量逐漸增加,兩者呈正比例關系,且排距小于3 m時,頂板下沉量變化緩慢,大于3 m時,頂板下沉量變化較大。為保證巷道回采期間安全,錨索排距應為2 m。
考慮到巷道掘進過程中的設備尺寸、通風要求以及巷道圍巖變形預留量,設計巷道斷面尺寸如下:23013巷呈矩形,掘進寬度5 000 mm,高度3 800 mm,掘進斷面積19 m2。經(jīng)過數(shù)值模擬分析,W23013巷道支護采用樹脂加長錨固錨桿組合支護系統(tǒng),并進行錨索補強支護,支護布置圖見圖2,支護參數(shù)如下:
圖2 W23013巷錨桿支護布置圖
1)頂板支護。頂錨桿采用BHRB500鋼材22號左旋無縱筋螺紋鋼筋,長2 400 mm,每排6根錨桿,間距排距為900 mm×1 000 mm,全部垂直巷道頂板布置;錨固劑采用一支MSK2335和一支MSZ2360樹脂錨固劑,錨固長度為1 208 mm,錨固力不小于190 kN;錨桿預緊力矩不小于400 Nm;頂板錨桿采用鋼筋托梁聯(lián)接;錨桿配件力學性能與錨桿桿體配套;采用規(guī)格為5 400 mm×1 100 mm菱形網(wǎng)護頂,網(wǎng)片之間相互搭接,長度為100 mm。錨索采用2-0-2布置,直徑為22 mm,長7 300 mm,間排距為2 000 mm×2 000 mm,全都垂直巷道頂板打設;采用端部錨固,一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑錨固,錨固長度1 970 mm;錨索預緊力不小于250 kN。
2)巷幫支護。巷幫錨桿規(guī)格、錨固方式以及錨桿預緊力矩均與頂板相同,不同之處為:錨桿布置形式為每排4根錨桿,間排距1 000 mm×1 000 mm,錨桿應垂直巷幫打設,靠近頂板錨桿打設角度不大于10°;采用規(guī)格為 280 mm×350 mm×4 mm W鋼護板;采用規(guī)格為3 600 mm×1 100 mm菱形網(wǎng)護幫,網(wǎng)片之間相互搭接,長度為100 mm。
1)圍巖位移觀測。采用十字布點法安設表面位移監(jiān)測斷面,對W23013巷在掘進期間對表面位移進行了監(jiān)測,測站的監(jiān)測曲線圖,見圖3。由監(jiān)測曲線可知:巷道由掘進完成到巷道穩(wěn)定,巷道兩幫最大移近量為30 mm,巷道頂板下沉量為10 mm,底鼓量為13 mm,底鼓量占巷道頂?shù)卓傄平康?6.5%;巷道底鼓量占巷道頂?shù)装蹇傄平康谋壤^大,對頂板支護效果明顯。巷道在掘進期間內(nèi)變形量較小,圍巖保持了較好的完整性,說明高預緊力錨桿錨索支護有效地控制了巷道圍巖的變形。
圖3 表面位移監(jiān)測曲線圖
由監(jiān)測曲線可知:巷道由掘進完成到巷道穩(wěn)定,巷道兩幫最大移近量為30 mm,巷道頂板下沉量為10 mm,底鼓量為13 mm,底鼓量占巷道頂?shù)卓傄平康?6.5%;巷道底鼓量占巷道頂?shù)装蹇傄平康谋壤^大,對頂板支護效果明顯。巷道在掘進期間內(nèi)變形量較小,圍巖保持了較好的完整性,說明高預緊力錨桿錨索支護有效地控制了巷道圍巖的變形。
2)支護體受力監(jiān)測。采用液壓枕式的錨桿測力計測試頂幫錨桿、錨索受力。由監(jiān)測結果分析可知:頂板和巷幫錨桿受力總體上呈遞增趨勢,錨桿發(fā)揮了應有的支護效果,起到了控制圍巖變形的作用;巷幫錨桿后期受力減小其原因為幫部煤體酥松導致應力損失,巷幫底角處錨桿受力較大,說明巷道底角為應力的集中區(qū),是支護的重點部位。頂板錨索受力整體是增大的趨勢,對控制圍巖變形起到了一定的抑制作用;巷幫錨索受力沒有明顯的增大,表明巷幫在強力錨桿錨索支護作用下,巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)不劇烈,變形量不大。
1)分析了不同錨桿間排距、錨桿直徑和錨索排距對預應力擴散及支護效果的影響;采用直徑為22 mm的錨桿,頂板布置6根,巷幫布置4根,錨桿間預應力的擴散效果最為明顯,巷道頂板下沉量和兩幫煤體相對移近量分別為86 mm和165 mm,較無支護時分別降低69%和57%,巷道圍巖變形得到有效控制。
2)礦壓觀測表明,錨桿錨索受力比較均勻,整個掘進期間內(nèi)巷道變形量較小,巷道圍巖保持了較好的完整性,說明高預緊力錨桿錨索支護有效地控制了巷道圍巖的變形。
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