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        高應(yīng)力大斷面巷道圍巖控制及支護(hù)技術(shù)研究

        2019-09-28 07:57:12孫春雷
        山東煤炭科技 2019年9期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖

        孫春雷

        (晉煤集團(tuán)沁水胡底煤礦,山西 晉城 048214)

        胡底煤礦一盤區(qū)中部布置5條大巷,在大巷兩側(cè)布置工作面進(jìn)行開采,巷道設(shè)計(jì)凈斷面為21.83m2。其中輔運(yùn)巷在2015年經(jīng)歷一次巷修,主要采用挑頂、擴(kuò)刷、全錨索支護(hù)、噴漿、注漿工藝,但隨著首采面1301工作面回采臨近停采線,受地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及采動(dòng)影響,巷道變形破壞非常嚴(yán)重,雖多次進(jìn)行維修,但始終難以從根本上解決高應(yīng)力大斷面巷道支護(hù)技術(shù)難題。

        目前礦井正在開拓1103巷,為了有效控制巷道圍巖變形破壞,確保礦井安全、可持續(xù)生產(chǎn),迫切需要針對胡底煤礦的實(shí)際情況,開展高應(yīng)力大斷面巷道支護(hù)技術(shù)研究,分析巷道的圍巖變形規(guī)律和破壞特征,確定合理的圍巖控制技術(shù)及支護(hù)參數(shù)。

        1 工程地質(zhì)概況

        胡底煤礦現(xiàn)開采的3#煤層位于山西組下部,開采水平垂深達(dá)500~700m,煤層平均厚度5.72m,傾角平均6°,全區(qū)穩(wěn)定可采。井田內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造以褶曲為主,斷裂構(gòu)造不發(fā)育。3#煤層基本頂為細(xì)砂巖,平均厚度3.56m,直接頂為泥巖,平均厚度8.19m,直接底為泥巖,厚度為6.78m,基本底為細(xì)砂巖,厚度為3.8m。

        1103巷道斷面設(shè)計(jì)為矩形,凈寬×凈高=5400mm×3900mm,斷面積為21.06m2,沿3#煤層頂板掘進(jìn)。

        2 圍巖特性曲線的確定

        根據(jù)1103巷道現(xiàn)場實(shí)際情況,煤層直接頂為8m左右的泥巖,兩幫和底板均為3#煤,巷道松動(dòng)圈值為1.8m,為典型的軟巖巷道,采用霍克—蘭丹尼理論對巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算。

        巷道距地表垂深700m,3#煤層頂板泥巖的單向抗壓強(qiáng)度σ=40.29MPa,彈性模量E=4.361×103MPa, 泊松比μ=0.29, 巖石容重γ=23.2kN/m3,相當(dāng)原巖應(yīng)力P0=16.24MPa。計(jì)算步驟如下:

        以矩形掘進(jìn)斷面的外接圓作為等效圓

        求常數(shù)M、D、Nr

        由于塑性區(qū)中巖體節(jié)理化的發(fā)展,其質(zhì)量逐漸降低。此時(shí),可取mr=0.2;sr=0.0001。

        求塑性區(qū)半徑R

        式中:

        pi—錨桿的工作阻力或支架抗力,MPa。

        求彈性區(qū)位移u

        求塑性區(qū)體積應(yīng)變?chǔ)臯

        求塑性區(qū)位移uR

        其中:

        取錨桿的工作阻力(支護(hù)抗力)分別為3MPa、2MPa、1MPa、0.5MPa、0.2MPa、0MPa,計(jì)算出R、u、εV和uR列入表1,繪制成圍巖特性曲線如圖1所示。表1中塑性區(qū)體積應(yīng)變?chǔ)臯為負(fù)值,表示體積增大。

        表1 計(jì)算結(jié)果表

        圖1 圍巖特性曲線

        由計(jì)算結(jié)果知,被動(dòng)支護(hù)支護(hù)抗力為零時(shí)的圍巖塑性區(qū)位移uR=241mm。巷道圍巖允許位移區(qū)間[uR]=(0.4~0.8)uR=96.4~192.8mm。在選擇巷道支護(hù)時(shí),巷道周邊位移應(yīng)落入允許位移區(qū)間[uR]內(nèi),此時(shí)表明支護(hù)方式合理。

        3 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

        1103巷設(shè)計(jì)采用“錨桿+錨索+錨網(wǎng)+噴漿”的支護(hù)方式。

        3.1 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

        (1)錨索長度計(jì)算

        錨索長度L應(yīng)為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度La、需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度(5m)、托板及錨具的厚度(0.1m)及外露張拉長度(0.25m)之和。其中:

        式中:

        K-安全系數(shù),取2;

        d1-錨索直徑,取22mm;

        fa-錨索抗拉強(qiáng)度,取1720N/mm2;

        fc-錨索與錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度,10N/mm2;

        L=1.892+5+0.1+0.25=7.242m。

        結(jié)合以上計(jì)算取錨索長度為7.3m。

        (2)采用懸吊作用理論進(jìn)行校核巷道頂錨索間、排距a:

        應(yīng)滿足:

        式中:

        G-錨索設(shè)計(jì)錨固力,250kN/根;

        k-安全系數(shù),一般取2;

        L2-有效長度,取b;

        L2=b(錨索取圍巖松動(dòng)圈冒落高度)

        式中 :

        B-巷道掘?qū)挘?.4m;

        H-巷道掘高,3.9m;

        f-頂—頂板巖石普氏系數(shù),取實(shí)測值4.0;

        ω-兩幫圍巖的似內(nèi)摩擦角, 76°;

        γ- 巖石容重,25kN/m 3。

        帶入公式算得L2=b=0.79m。

        經(jīng)計(jì)算a<2.52m。

        因此,頂錨索間排距為2.0×2.0m。

        3.2 幫錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)確定

        巷幫支護(hù)所需提供的最大支護(hù)力為:

        為保持巷幫不失穩(wěn),則支護(hù)體提供的支護(hù)力P≥δ3max,則錨桿的間距為:

        式中:

        Q-幫錨桿錨固力,取50kN;

        a1-幫錨桿的間距,m;

        b1-幫錨桿排距,取1.0m;

        γ-煤的容重,取13.6kN/m3;

        d-巷道半寬,取2.7m;

        H-巷幫高度,取3.9m;

        φ-煤層內(nèi)摩擦角,取28°;

        f-煤層普氏系數(shù),取1.56;

        K1-錨桿安全系數(shù),取1.5。

        經(jīng)計(jì)算,δ3max=33.66MPa

        一次和二次噴層抗力共計(jì)0.278MPa,鋼筋網(wǎng)抗力0.054MPa,巷幫錨桿支護(hù)所需提供的最大支護(hù)力為:33.66-0.278-0.054=33.33MPa

        因此,幫錨桿間排距為1.0m×1.0m,結(jié)合以往工程支護(hù)經(jīng)驗(yàn),在巷幫上增設(shè)2根4.3m長錨索,幫錨索間距取2.0m,進(jìn)一步減小兩幫塑性區(qū)的變形量。巷道布置平剖面圖如圖2所示。

        圖2 1103巷道錨噴支護(hù)方案平剖面圖

        3.3 錨桿間距和圍巖變形量驗(yàn)算

        錨索抗力:

        式中:

        τs-錨索許用屈服強(qiáng)度,取484MPa;

        F-錨索橫截面積。

        “錨網(wǎng)索噴”支護(hù)總抗力P=0.278+0.054+0.332=0.664MPa,查圍巖特性曲線圖,在該支護(hù)抗力作用下,巷道周邊位移uR'=184mm,被動(dòng)支護(hù)支護(hù)抗力為零時(shí)的圍巖塑性區(qū)位移uR=241mm,巷道圍巖允許位移區(qū)間[uR]=(0.4~0.8)uR=(0.4~0.8)×241=96.4~192.8mm。巷道周邊位移落入允許位移區(qū)間[uR]范圍內(nèi),表明所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案合理。

        3.4 錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)確定

        (1)錨桿的布置方式

        ① 頂錨桿布置方式

        采用Ф22、L=2400mm錨桿,矩形布置,每排6根,間排距為1000mm×1000mm,邊上兩根距巷幫200mm。采用樹脂加長錨固,錨固長度為1675mm,錨桿安設(shè)角度與頂板垂直,錨固力不小于150kN,加掛W形鋼帶和鋼筋網(wǎng),W形鋼帶型號(hào)為W280×400/4。

        ② 幫錨桿布置方式

        采用Ф22、L=2400mm錨桿,矩形布置,每排每幫4根,間排距為1000mm×1000mm,最上一根錨桿距頂板300mm,最下一根錨桿距底板600mm。錨桿采用樹脂加長錨固,錨固長度為1675mm,錨桿安設(shè)角度與巷幫垂直,錨固力不小于150kN,加掛鋼筋網(wǎng)。

        (2)錨索的布置方式

        ① 頂錨索的布置方式

        采 用 Ф22mm、L=7300mm的 錨 索,型號(hào)SKP22-1/1720,每排3根,間排距為2000×2000mm,邊上兩根距巷幫700mm。為能夠充分發(fā)揮錨索、錨桿組合支護(hù)效果,在錨索與錨索之間加掛W形鋼帶和鋼筋網(wǎng),W形鋼帶型號(hào)為W280×400/4,錨索預(yù)應(yīng)力不小于250kN。

        ② 幫錨索的布置方式

        采用Ф22mm、L=4300mm的錨索,錨索兩幫各2根,每排4根,間排距為2000×2000mm,矩形布置,上部錨索距頂板800mm。錨索預(yù)應(yīng)力不小于250kN,幫部錨索距底板超過1.5m時(shí),進(jìn)行補(bǔ)打錨索。

        (3)混凝土噴漿

        在安裝完金屬網(wǎng)、W形鋼帶、錨桿、錨索后,需要對巷道周圍進(jìn)行噴射混凝土,混凝土厚度100mm,水泥:砂:石子(體積比)=1:2:2,并摻入水泥用量的5%的速凝劑,強(qiáng)度等級(jí):C20。

        4 效果

        根據(jù)后期礦壓監(jiān)測結(jié)果可知,巷道位移量頂板最大為154mm,底板最大為189mm,左幫為190mm,巷道圍巖控制效果較好。頂板離層監(jiān)測結(jié)果表明,巷道頂部松動(dòng)離層值很??;錨桿(索)測力計(jì)讀數(shù)顯示,錨桿受力處于合理狀態(tài),頂板處于穩(wěn)定結(jié)構(gòu);錨桿錨固力和預(yù)緊力矩抽檢結(jié)果合格率高,表明巷道錨桿支護(hù)施工質(zhì)量好,支護(hù)系統(tǒng)安全可靠。以上監(jiān)測結(jié)果表明,該支護(hù)方案合理,在類似地質(zhì)條件下可推廣運(yùn)用。

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