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        紅山煤業(yè)S01軌道巷頂板圍巖控制技術研究與應用

        2021-09-16 08:23:34創(chuàng)
        2021年9期
        關鍵詞:幫部錨索間距

        劉 創(chuàng)

        (紅山煤業(yè)有限公司,山西 長治 046000)

        1 工程概況

        山西長治紅山煤業(yè)S01綜采工作面井下位置位于二采區(qū)南翼,東部為二采區(qū)南翼未采區(qū),南部為井田邊界,西部為礦井井田的風氧化帶,北部為二采區(qū)南翼回風巷、南翼膠帶運輸上山巷、南翼軌道運輸上山巷。工作面開采3號煤層,煤層厚度為4.8~5.6 m,煤層平均傾角為15°,煤層內均含有一層夾矸,夾矸層厚度為0.15 m,煤層頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。S01軌道巷沿3號煤層底板掘進,巷道掘進寬×高=4.2 m×2.7 m,巷道頂板屬于非復合頂板,巷道擬采用錨網(wǎng)索支護技術進行圍巖控制,為保障圍巖控制效果,特進行錨網(wǎng)索支護方案設計與分析。

        表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

        2 錨桿索支護參數(shù)分析

        根據(jù)S01工作面的生產地質條件,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模型,模型長×寬×高=200 m×50 m×60 m,限制模型兩側邊的位移,固定模型底部的位移,模型上部施加等效荷載,本次模擬主要對巷道錨桿支護參數(shù)及錨索布置形式進行模擬分析,根據(jù)礦井生產經(jīng)驗,S01軌道巷中錨桿采用型號為MSGLW-400型左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿[1-3],規(guī)格為D20 mm×2 400 mm,本次數(shù)值模擬主要進行錨桿間距、排距和錨索布置方式的模擬分析。

        1) 錨桿間距:為確定巷道頂板和幫部錨桿合理的間距,設置頂板錨桿的間距分別為600 mm、700 mm和900 mm,根據(jù)數(shù)值模擬結果得出頂板錨桿在不同間距下,圍巖及錨桿垂直應力分布云圖如圖1所示。

        分析圖1可知,當頂板錨桿間距為900 mm時,此時相鄰錨桿形成的應力區(qū)不能有效連接,頂板錨桿支護作用范圍內存在著錨固盲區(qū),使得錨桿間的相互作用力不能對圍巖起到良好的支護效果,當錨桿間距縮小為700 mm時,此時相鄰錨桿間形成的應力區(qū)域有效連接,尤其當錨桿與頂板垂直布置時,此時錨桿間的應力區(qū)域擴散明顯,充分發(fā)揮了錨桿的承載能力;當錨桿間距進一步縮小為600 mm時,此時錨桿在頂板的作用范圍相互貫通,但錨桿預應力擴散范圍的增大較為微小,其與錨桿間距為700 m時相比支護效果提升較為顯著,綜合上述,考慮確定巷道頂板錨桿間距為700 mm。

        圖1 不同頂板錨桿間距下頂板預應力場分布云圖

        采用同樣的對比方式進行幫部錨桿間距的對比分析,分別設置幫部錨桿的間距為500 mm、700 mm和900 mm,根據(jù)模擬結果得出不同間距下圍巖預應力長的分布云圖如圖2所示。

        圖2 不同頂板錨桿間距下頂板預應力場分布云圖

        通過分析圖2可知,在巷道幫部錨桿間距為700 mm時,此時錨桿產生的壓應力場能夠相互疊加,形成承載結構,幫部錨桿支護時的錨固盲區(qū)也較少,基于模擬結果確定幫部錨桿的間距為700 mm。

        1) 錨桿排距:根據(jù)礦井生產經(jīng)驗及相關錨桿支護理論分析[4-6],設置頂板錨桿排距為700 mm、800 mm和900 mm,根據(jù)模擬結果能夠得出不同錨桿排距下圍巖預應力長的分布規(guī)律如圖3所示。

        圖3 不同頂板錨桿排距下頂板預應力場分布云圖

        分析圖3可知,當頂板錨桿排距為900 mm時,每排錨桿形成的是獨立承載區(qū)域,頂板錨桿在軸向上預應力擴散不能有效連接,頂板錨桿支護在軸向上不能形成穩(wěn)定的承載結構;當錨桿排距縮小為800 mm時,每排錨桿間的預應力擴散區(qū)域有效連接在一起,錨桿在軸向和縱向上的錨固作用相互疊加,頂板形成一個有效的整體承載層,此時錨桿對巷道頂板的支護效果較好;當錨桿排距進一步縮小為700 mm時,錨桿有效壓應力區(qū)的分布擴散基本與排距為800 mm時相似,錨桿支護的提升效果較小。

        綜合上述分析,確定頂板錨桿的支護排距為800 mm。采用與頂板錨桿排距分析同樣的方式,確定幫部錨桿的排距為800 mm。

        2) 錨索布置方式:根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r層的條件,結合頂板巷道的特征,錨索采用1×7股高強度鋼絞線,錨索參數(shù)為D17.8 mm×7 300 mm,本次模擬主要對比分析錨索采用“2-0-2”布置(每排兩根,排距1 600 mm)、“2-1-2”布置(每排一根和兩根交替,排距800 mm)、“2-2-2”布置(每排兩根,排距800 mm),根據(jù)數(shù)值模擬結果得出頂板錨索不同布置方式下圍巖應力場的分布規(guī)律如圖4所示。

        圖4 不同頂板錨索布置方式下預應力場分布云圖

        分析圖4可知,當頂板錨索采用“2-0-2”布置方式時,此時錨索僅在尾部形成較強的壓應力區(qū),錨索壓應力作用在走向切面上較為獨立;當錨索采用“2-1-2”布置時,此時頂板錨索在走向和橫向上有效連接,壓應力場有效疊加,形成整體的承載結構;當頂板錨索采用“2-2-2”布置方式時,錨索形成的壓應力區(qū)域疊加范圍進一步擴大,錨索對頂板的控制效果進一步加強,但綜合考慮支護及成本因素,確定頂板錨索布置方式為“2-1-2”。

        3 圍巖控制技術

        3.1 支護方案

        根據(jù)S01軌道巷頂板的具體地質條件,結合上述錨桿索支護參數(shù)的數(shù)值模擬結果進行巷道支護方案設計,巷道采用錨網(wǎng)索支護,具體支護參數(shù)如下:

        1) 頂板支護:頂板錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,型號為MSGLW-400,規(guī)格參數(shù)為D20 mm×2 400 mm,間排距為700 mm×800 mm,頂板兩端頭錨桿與頂板成70°打設,其余錨桿均垂直于巷道頂板布置,錨桿的錨固長度為1 140 mm,錨桿預緊力為300 N·m。頂板錨索采用礦用1×7股高強度鋼絞線,規(guī)格參數(shù)為D17.8 mm×7 300 mm,錨索采用“2-1-2”布置,間排距為2 700 mm×800 mm,錨索預緊力為150 kN,錨固長度為1 750 mm,錨索均垂直于頂板布置,巷道頂部鋪設經(jīng)緯網(wǎng),網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm,錨桿索間采用鋼筋梯子梁進行連接,梯子梁采用D14 mm的圓鋼焊接而成,鋼筋梯子梁尺寸為:長×寬=3 800 mm×80 mm。

        2) 幫部支護:錨桿型號同頂板,規(guī)格參數(shù)為D20 mm×2 200 mm,間排距為700 mm×800 mm,錨固長度為1 140 mm,幫頂?shù)捉堑腻^桿均與幫成70°布置,其余錨桿均垂直于巷幫布置,幫部最上面的錨桿距頂板300 mm,幫底角錨桿距底板同樣為300 mm,巷道幫部同樣采用經(jīng)緯網(wǎng)進行護幫,鋼筋梯子梁進行錨桿間的聯(lián)結。

        具體巷道支護參數(shù)如圖5所示。

        圖5 S01軌道巷支護方案布置示意(mm)

        3.2 效果分析

        S01軌道巷掘進期間,在巷道掘進迎頭位置處布置表面位移監(jiān)測站,巷道表面位移變化情況采用十字布點法進行觀測,隨著巷道掘進作業(yè)的進行持續(xù)進行監(jiān)測作業(yè),根據(jù)巷道表面位移的監(jiān)測結果得出圍巖變形曲線如圖6所示。

        圖6 巷道掘進期間圍巖變形曲線

        分析圖6可知,S01軌道巷掘進期間,巷道頂板下沉和兩幫收斂主要發(fā)生在測站滯后掘進迎頭0~100 m的范圍內,當測站滯后迎頭距離大于100 m后,此時圍巖變形速率開始大幅降低,當測站滯后掘進迎頭大于150 m時,頂板下沉和兩幫收斂量基本達到穩(wěn)定狀態(tài),頂板最大下沉量15 mm,兩幫最大收斂量為28 mm,據(jù)此可知巷道掘進期間圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        4 結 語

        根據(jù)S01軌道巷頂板的具體特征,通過數(shù)值模擬進行錨桿索支護參數(shù)的分析,確定頂板和兩幫錨桿的合理間排距為700 mm×800 mm,頂板錨索采用“2-1-2”布置方式,基于數(shù)值模擬結果,結合巷道特征具體進行錨桿索支護參數(shù)的分析;根據(jù)巷道掘進期間圍巖變形的監(jiān)測分析可知,巷道在現(xiàn)有支護方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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