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        耦合讓均壓支護(hù)技術(shù)在蠕動變形頂板中應(yīng)用

        2021-03-13 03:03:12進(jìn)
        山東煤炭科技 2021年2期
        關(guān)鍵詞:錨桿變形

        范 進(jìn)

        (大同煤礦集團(tuán)馬脊梁礦,山西 大同 037001)

        巷道掘進(jìn)期間受斷層、采空區(qū)、陷落柱等應(yīng)力影響,巷道頂板出現(xiàn)蠕動變形現(xiàn)象,主要表現(xiàn)在頂板彎曲變形、頂板下沉、頂板破碎等現(xiàn)象,而傳統(tǒng)頂板采用的錨桿(索)主動支護(hù),在蠕動變形頂板中無法有效發(fā)揮與頂板同步耦合支護(hù)作用,最終導(dǎo)致頂板錨桿(索)支護(hù)失效現(xiàn)象,威脅著應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)安全。所以對于應(yīng)力影響下蠕動變形頂板采取合理有效的支護(hù)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)支護(hù)體耦合讓壓支護(hù)作用,對提高頂板支護(hù)質(zhì)量,控制頂板蠕動變形量具有重要意義。本文以馬脊梁礦5127 巷掘進(jìn)為例,對巷道應(yīng)力區(qū)蠕動變形頂板采取了耦合讓均壓支護(hù)技術(shù),確保變形頂板控制與維護(hù)。

        1 概況

        大同煤礦集團(tuán)馬脊梁礦5127 巷位于井田一盤區(qū),北東為馬脊梁礦與同忻礦礦界,南東為馬脊梁礦與同忻礦礦界及8220 工作面采空區(qū),北西為盤區(qū)大巷及實(shí)煤區(qū),南西為盤區(qū)大巷。5127 巷設(shè)計(jì)長度為2456 m,巷道斷面寬×高=5.4 m×3.7 m。巷道掘進(jìn)煤層為石炭系3#煤層,煤層厚度5.08~8.31 m,平均6.78 m,煤層傾角1°~3°,平均2°,純煤厚5.62 m,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含夾矸3~7 層,巖性為泥巖、砂質(zhì)泥,局部有煌斑巖侵入,屬近水平煤層。3#煤層直接頂主要為含礫粗砂巖,平均厚度為10.9 m;基本頂主要以中粒粗砂巖為主,平均厚度為4.5 m。5127巷采用機(jī)械化掘進(jìn)工藝,截至2020年2月13日,巷道已掘進(jìn)870 m。

        2 原支護(hù)設(shè)計(jì)及支護(hù)現(xiàn)狀

        2.1 原支護(hù)設(shè)計(jì)

        (1)5127 巷原支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板每排布置7 根長度為2.5 m、直徑為22 mm 左旋無縱筋錨桿,錨桿間距為0.8 m,排距為1.0 m,肩角處錨桿與頂板的夾角為80°。錨桿采用加長錨固方式,錨固長度為1.1 m。

        (2)頂板每排施工5 根長度為5.3 m、直徑為17.8 mm 預(yù)應(yīng)力錨索,每排布置4 根,間距為1.0 m,排距為2.0 m,角錨索每排2 根,與同排最近錨索間距為1.15 m。

        2.2 支護(hù)失效狀況

        5127 巷掘進(jìn)至881 m 處揭露一條正斷層F2,斷層落差為1.2 m,傾角為54°。5127 巷掘進(jìn)至865 m 處進(jìn)入F2 斷層應(yīng)力影響區(qū),巷道在應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)過程中同時(shí)受8220 采空區(qū)影響,巷道頂板出現(xiàn)蠕動變形現(xiàn)象,巷道頂板錨桿、錨索錨固失效現(xiàn)象嚴(yán)重,失效率達(dá)11%,部分支護(hù)承載件(鋼帶)在應(yīng)力作用下出現(xiàn)斷裂、變形現(xiàn)象,導(dǎo)致應(yīng)力區(qū)頂板維護(hù)控制效果差,頂板局部破碎嚴(yán)重,頂板最大下沉量達(dá)0.44 m,原頂板支護(hù)不能滿足應(yīng)力區(qū)巷道高效掘進(jìn)要求。

        2.3 頂板支護(hù)失效原因分析

        由于5127 巷應(yīng)力區(qū)頂板蠕動變形嚴(yán)重,特別是頂煤區(qū)段出現(xiàn)蠕動變形現(xiàn)象后,頂板承載能力降低,造成頂板下沉、離層、斷裂現(xiàn)象,而原頂板采用的錨桿(索)支護(hù)體延展性較低,對于小應(yīng)力區(qū)及蠕動變形小的頂板采用該類支護(hù)效果相對較好,但對于5127 巷應(yīng)力區(qū)蠕動變形較大的頂板,錨桿(索)支護(hù)在應(yīng)力作用下變形無法與頂板變形相耦合,隨著頂板蠕動變形持續(xù)作用,最終導(dǎo)致錨桿(索)斷裂。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),5127 巷應(yīng)力區(qū)錨桿常在絲扣部、錨索常在距錨索托盤安裝部位0.5~1.2 m處發(fā)生斷裂。

        3 耦合讓壓支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

        3.1 耦合讓壓支護(hù)技術(shù)原理

        對于軟巖巷道掘進(jìn)后巷道頂板煤巖體產(chǎn)生蠕動變形現(xiàn)象,且隨著時(shí)間推移逐漸趨于穩(wěn)定,頂板在蠕動變形期間頂板圍巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,頂板承載梁穩(wěn)定性降低,若在蠕動變形期間采用鋼性支護(hù)進(jìn)行控制時(shí),由于鋼性支護(hù)體延展性低、耦合讓壓效果差,導(dǎo)致隨著頂板蠕動變形量增加,支護(hù)體屈服壓力增大,當(dāng)屈服壓力大于支護(hù)體屈服強(qiáng)度時(shí)支護(hù)出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

        耦合讓壓支護(hù)技術(shù)是在不改變支護(hù)體長度、直徑、強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)下,在支護(hù)體上安裝讓壓構(gòu)件,安裝讓壓構(gòu)件的支護(hù)體在支護(hù)時(shí)讓壓構(gòu)件能夠隨著頂板蠕動變形進(jìn)行相適應(yīng)讓壓作用,在讓壓期間支護(hù)體受壓控制在屈服強(qiáng)度極限內(nèi),從而達(dá)到耦合讓壓支護(hù)目的。

        3.2 耦合讓均勻支護(hù)施工

        為了降低支護(hù)勞動作業(yè)強(qiáng)度以及支護(hù)成本費(fèi)用,決定對5127 巷斷層應(yīng)力區(qū)頂板采用“讓壓蛇形錨桿+讓壓鳥窩恒阻錨索”聯(lián)合進(jìn)行支護(hù)。5117巷蠕動變形頂板耦合讓壓錨桿(索)支護(hù)斷面、平面示意圖如圖1。

        3.2.1 支護(hù)體參數(shù)

        為了增加錨桿(索)支護(hù)強(qiáng)度,頂板讓壓錨桿采用長度為3.5 m、直徑為28 mm 碳鋼材質(zhì)的左旋無縱筋錨桿,錨桿屈服強(qiáng)度為225 MPa,延展率為5%,抗剪切應(yīng)力為655 kN。讓壓錨索采用長度為8.0 m、直徑為21.8 mm 恒阻錨索,錨索抗拉強(qiáng)度為455 MPa,延展率為11%。

        3.2.2 讓壓構(gòu)件基本參數(shù)

        錨桿采用10~12TB 型單泡蛇形讓壓管,讓壓最大承載作用力520 kN,最大讓壓距離0.35 m,讓壓管安裝在距錨桿錨固1.5 m 處。錨索采用24~30TB 型雙泡鳥窩讓壓管,讓壓最大承載作用力為870 kN,最大讓壓距離為0.62 m。

        3.2.3 讓壓支護(hù)設(shè)計(jì)

        (1)由于5127 巷3#煤層穩(wěn)定性差,在應(yīng)力區(qū)處頂煤破壞嚴(yán)重,為了降低鉆孔施工時(shí)對頂板產(chǎn)生擾動破壞,優(yōu)化后應(yīng)力區(qū)頂板每排布置5 根讓壓蛇形錨桿,所有錨桿垂直頂板布置,間距為1.2 m,排距為1.0 m,讓壓錨桿采用加長錨固方式,錨固長度為1.2 m。

        (2)為了進(jìn)一步提高承載件承壓強(qiáng)度,增加承載件支護(hù)截面積,在同一排讓壓錨桿外露端安裝一根“JW”型鋼梁,鋼梁長度為5.2 m,寬度為0.38 m,厚度為4 mm,鋼梁單位面積承載強(qiáng)度為372 MPa。

        (3)原頂板錨索全部更換為讓壓鳥窩錨索,每排布置3 根,錨索排距為3.0 m,間距為2.0 m,同一排錨索外露端安裝一根長度為4.2 m、寬度為0.15 m 槽鋼。

        (4)為了進(jìn)一步提高支護(hù)承載能力,將原頂板14#鉛絲編制的鋼制經(jīng)緯網(wǎng)更換為柔性纖維網(wǎng),每片網(wǎng)長度為10 m,寬度為5.5 m,柔性纖維網(wǎng)承載能力為120 MPa。與傳統(tǒng)鋼制網(wǎng)相比,柔性纖維網(wǎng)具有柔性好、頂板維護(hù)效果好、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可適用于高應(yīng)力圍巖中。

        圖1 5117 巷蠕動變形頂板耦合讓壓錨桿(索)支護(hù)斷面、平面示意圖

        3.3 應(yīng)用效果分析

        為了監(jiān)測耦合讓壓支護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果,分別從頂板下沉量以及讓壓錨桿(索)兩方面進(jìn)行觀察分析。

        (1)頂板下沉量觀察分析。5127 巷蠕動變形區(qū)頂板施工讓壓錨桿(索)后,選取了三個(gè)觀測點(diǎn)(1#~3#),觀測點(diǎn)間距為15 m,每個(gè)觀測點(diǎn)處安裝一個(gè)YHW300 型電子頂板離層儀。通過對三個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行15 d 觀測發(fā)現(xiàn),在0~7 d 范圍內(nèi)頂板蠕動下沉量最大,平均下沉量為0.32 m;在7~12 d 范圍內(nèi)蠕動變形量逐漸減??;在12~15 d 范圍內(nèi)頂板讓壓錨桿(索)與蠕動變形頂板達(dá)到最佳耦合支護(hù)作用,頂板蠕動變形量趨于零,在此期間頂板處于完整狀態(tài),未見破碎、斷裂現(xiàn)象。

        (2)讓壓錨桿(索)受力狀態(tài)分析。為了檢測應(yīng)力區(qū)讓壓錨桿(索)受壓情況,在1#、2#、3#三個(gè)測點(diǎn)各取一根讓壓錨索和讓壓錨桿,并在其外露端安裝一個(gè)YL-803Z 軸向智能數(shù)顯壓力器。通過30 d 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),在前15 d 內(nèi)受頂板蠕動變形影響,錨桿、錨索受力成遞增趨勢,如圖2;15 d 后頂板讓壓錨桿(索)與蠕動變形頂板達(dá)到耦合支護(hù)最佳狀態(tài),頂板下沉量得到控制,錨桿(索)受力趨于穩(wěn)定,錨桿平均受力值為117 kN,錨索平均受力值133 kN,且全部未達(dá)到錨桿(索)屈服強(qiáng)度值,錨桿(索)未出現(xiàn)破斷現(xiàn)象,支護(hù)良好。

        圖2 5117 巷蠕動變形頂板讓壓錨桿(索)受力曲線圖

        4 結(jié)束語

        通過對5127 巷應(yīng)力區(qū)蠕動變形頂板采取耦合均讓壓支護(hù)技術(shù)后,解決了蠕動變形頂板采用傳統(tǒng)鋼性支護(hù)體延展率低、讓壓效果差、起不到耦合支護(hù)作用等技術(shù)難題,避免了鋼性支護(hù)體在應(yīng)力作用下出現(xiàn)破斷、變形現(xiàn)象,提高了蠕動變形頂板整體支護(hù)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了支護(hù)體與變形頂板耦合支護(hù)作用,為類似地質(zhì)條件的采掘工作面圍巖控制提供了借鑒依據(jù),取得了顯著應(yīng)用成效。

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