七五生建煤礦 山東 濟(jì)寧 277600

近年來,煤炭資源高強(qiáng)度大規(guī)模開采,使回采巷道大幅度增加,加之開采深度、開采條件限制等,回采巷道支護(hù)與快速掘進(jìn)難度加大。因此能否經(jīng)濟(jì)有效地控制高應(yīng)力煤巷穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn),成為現(xiàn)代化礦井亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本文針對(duì)魯南地區(qū)滕南煤田,七五煤礦3上煤層211運(yùn)輸巷,采用高強(qiáng)度低密度注漿錨索支護(hù)工藝為研究對(duì)象,對(duì)煤礦的新型支護(hù)方式展開探索研究。

根據(jù)對(duì)3上211運(yùn)輸巷頂板巖層松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果可知,巷道原支護(hù)條件下圍巖屬Ⅱ類中松動(dòng)圈,運(yùn)輸巷頂板的完整性好,頂板淺部區(qū)域有破碎、離層或裂隙發(fā)育現(xiàn)象;離層及破碎帶位于0.5m以內(nèi),裂隙發(fā)育帶位于1m以內(nèi)。為加強(qiáng)巷道頂板完整性及穩(wěn)定性,并適應(yīng)回采期間的動(dòng)壓擾動(dòng)影響,需及時(shí)增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。考慮到現(xiàn)有的錨桿(索)支護(hù)理論與技術(shù)支護(hù)密度大、速度慢的現(xiàn)狀,嚴(yán)重制約掘進(jìn)速度,加劇采掘接續(xù)的緊張程度等問題,提出了“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)技術(shù)理念。

1 基于“有效承載層厚度”頂板疊加梁理論

煤巷厚層頂板分層呈近水平層狀分布,各厚層頂板分層都具有一定的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,而各層之間相互粘結(jié)力較弱,為簡(jiǎn)化力學(xué)模型,忽略各層之間相互粘結(jié)力,并假設(shè)n層巖梁的各巖層具有相同的幾何特征和力學(xué)特性,利用力學(xué)中的變形連續(xù)條件、靜力平衡條件以及迭加原理,考慮上部巖層垂直荷載和水平構(gòu)造應(yīng)力的聯(lián)合作用,對(duì)層間不具有粘結(jié)力的煤巷頂板疊(組)合巖梁內(nèi)力進(jìn)行分析。

1.1 煤巷頂板疊(組)合巖梁內(nèi)力計(jì)算 建立在垂直荷載和水平構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)合作用下頂板疊(組)合梁受力模型如圖1-1、圖1-2所示。

圖1-2 頂板組合巖梁受力

圖1-1 頂板疊合巖梁受力模型模型

煤巷厚層頂板分層疊(組)合巖梁在垂直均布荷載和水平構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)合作用下發(fā)生彎曲變形。由材料力學(xué)理論可得疊(組)合巖梁在荷載作用下最下層跨中的撓度、彎矩和跨中下側(cè)的最大拉應(yīng)力為:

式中:q為組合巖梁所受垂直均布荷載,單位N/m3;l為巖梁跨度,單位m;b為組合巖梁沿巷道方向單位寬度,單位1。

1.2 錨固前后巖梁內(nèi)力對(duì)比分析 由式(1-1)、(1-2)可知,在垂直荷載和水平荷載聯(lián)合作用下,采用錨桿支護(hù)后組合巖梁最大拉應(yīng)力小于疊合巖梁的最大拉應(yīng)力,并且組合巖梁與疊合巖梁的最大拉應(yīng)力之比與巖梁的疊合層數(shù)、層高、巖梁厚度、彈性模量、跨度、垂直荷載及側(cè)壓力系數(shù)有關(guān)。

采用錨桿對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)后,不僅增加組合梁各巖層之間的抗剪強(qiáng)度,使組合梁成為一個(gè)整體,增大頂板疊合梁各巖層厚度,相同載荷情況下巖梁巖梁的撓度會(huì)隨組合梁的分層厚度的增加而呈指數(shù)增加,抗彎曲能力會(huì)隨組合梁的層數(shù)的增加而減小,而且可以通過施加預(yù)緊力的方式,改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),降低頂板橫向載荷,減小側(cè)壓系數(shù),達(dá)到優(yōu)化圍巖控制的效果。

2 “高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)設(shè)計(jì)

3上211運(yùn)輸巷直接頂為平均厚度僅1.85m的泥巖,而基本頂為平均厚度達(dá)16.1m的砂巖泥巖。直接頂與基本頂均屬于典型的層狀沉積巖層,互層之間的膠結(jié)比較薄弱,容易產(chǎn)生離層。建立疊加梁力學(xué)分析模型,對(duì)3上211運(yùn)輸巷支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2-1 疊加梁模型示意圖

圖2-2 組合疊加梁模型示意圖

2.1 有效錨固長(zhǎng)度確定 在豎向荷載作用下復(fù)合頂板發(fā)生撓曲變形。在撓曲變形過程中,由于第1層厚層頂板分層為堅(jiān)硬巖層,撓度小于第i-1層,而不與其下部巖層協(xié)調(diào)變形的巖層,并控制其上n層厚層頂板分層,與第i+1層-至第i+n層具有相同的變形曲率。第i+n層厚層頂板分層對(duì)第i層所形成的載荷為(q i+n)i,計(jì)算公式如(2-1)所示:

其中,表示第i+j層厚層頂板分層的彈性模量,單位Pa,γi+j表示第i+j層厚層頂板分層的容重,單位N/m3,h i+j表示第i+j層厚層頂板分層的厚度,單位m。

若第i+n層疊加梁與第i+n+1層疊加梁間不發(fā)生離層,則

(q(i+n+1))i>(q(i+n))i(2-2)

否則第i+n層疊加梁與第i+n+1層疊加梁間發(fā)生離層,即滿足

(q(i+n+1))i≤(q(i+n))i(2-3)

從煤層上方第i層巖層開始往上逐層計(jì)算,當(dāng)滿足式(4-3)則不再往上計(jì)算,此時(shí)從第i+n層與第i+n+1層堅(jiān)硬厚層頂板間分層發(fā)生離層。按上述方法確定離層位置,計(jì)算有效錨固長(zhǎng)度(離層發(fā)育范圍)為3.5m。

2.2 錨索預(yù)緊力的確定 錨索安裝后可立即施加高預(yù)緊力,使錨索及時(shí)承載,能夠有效抑制離層產(chǎn)生,降低頂板管理難度。當(dāng)用錨索將若干疊加梁錨固后形成組合疊加梁,如圖2-2所示。復(fù)合頂板組合疊加梁在垂直均布荷載和水平構(gòu)造應(yīng)力及錨索預(yù)緊力聯(lián)合作用下發(fā)生彎曲變形,而不發(fā)生離層,則預(yù)緊力需滿足:

其中,[(q(i+n))i-(q(i+n+1))i]j表示第j層離層上下厚層頂板分層作用于第1層厚層頂板分層的載荷差值。

確定錨索預(yù)緊力不小于180k N。

2.3 支護(hù)參數(shù)確定 經(jīng)上述理論計(jì)算與分析,提出如下支護(hù)方案:巷道頂板布置3根1×7股的Φ21.8×6200mm高強(qiáng)度錨索(破斷荷載不低于380k N,延伸率不小于3.5%),間排距為1600×1200mm,預(yù)緊力不低于180k N,采用規(guī)格為4200×180×3mm的W鋼帶,采用規(guī)格為4200×1170mm的φ6.5mm鋼筋網(wǎng)。巷道幫部布置4根Φ20×2200 mm無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿,間排距均為1100×1200mm,頂角與底角錨桿與幫部成15°,采用規(guī)格為4000×80×3mm的M鋼帶,采用規(guī)格為4500×1100mm的10#鐵絲金屬菱形網(wǎng)。支護(hù)示意圖如圖2-3所示。

圖2-3 3上211運(yùn)輸巷支護(hù)斷面示意圖

3 技術(shù)綜合比較

高強(qiáng)度低密度回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì),因注漿錨索獨(dú)有的注漿支護(hù),注漿液充填到頂板裂隙中,使破碎頂板凝結(jié)成整體,較好的控制頂板及圍巖的穩(wěn)定性,較原先普通錨桿錨索巷道支護(hù),增加了支護(hù)強(qiáng)度,同時(shí)因支護(hù)數(shù)量的減少,從而直接減小巷道頂板及圍巖的擾動(dòng)性,間接提高了巷道支護(hù)安全。

注漿錨索滯后支護(hù),加大了巷道支護(hù)排距,較之前支護(hù)排距平均擴(kuò)大200mm,與原先支護(hù)方式相比,每百米綜合減少支護(hù)材料約170根,相當(dāng)于多增加11米工程量。