新胜井+90工作面回采巷道锚杆支护设计研究

王 军

(辽宁省阜新市国土资源局)

工作面回采巷道围岩(除底板外)均是强度较低的煤体,且围岩处于复杂的应力环境中。煤体中存在许多原生裂隙,受掘进和回采工作面采动影响,巷道表面煤体会在原生裂隙基础上产生一些新裂隙,特别时在超前支承压力作用下,巷道围岩会产生大量新的裂隙,巷道变形相对比较严重,以至于影响正常的安全生产。巷道变形有两个特点：一是变形的程度相对较大;二是变形以围岩块体间的错动和扩容为主。因此,采取合理的支护方案控制巷道围岩变形对于采掘工程时间具有重要意义。本文针对新胜井+90工作面顺槽地质条件及巷道围岩变形破环特点,运用锚杆支护机理设计了一套支护方案,经现场实践检验,支护效果良好,实现了该工作面的安全生产。

1 新胜井+90工作面回采巷道概况

新胜井是杉松岗矿业集团公司技改矿井,该矿井为斜井开拓,原设计产量15万 t/年。技改后,生产能力达到21万 t/年。新胜井+90工作面回采煤层为6#煤层,采高为1.6～2.1 m,煤层平均倾角为11°。由于该矿井6#煤层顶板为泥岩,强度低,压力大导致巷道破坏严重,急需进行支护改革。

2 +90工作面回采巷道支护设计

1)支护设计方法选择。根据松软岩巷道支护设计方法和该矿井煤层赋存状况,以及矿井煤岩物理力学性质指标测定结果,该工作面回采巷道支护设计方法采用工程类比法。设计技术路线见图1。

2)巷道围岩分类与支护形式确定。由煤岩物理力学性质指标测定成果可知,6#煤直接顶为碳质泥岩,抗压强度为41.53 M Pa,底板为碳质页岩,抗压强度为39.23 M Pa,老顶为粉砂岩,抗压强度为5.41 M Pa。众所周知,泥岩的特点是遇水膨胀和崩解,当泥岩含水率较低时,具有脆性岩石特性,当含水率较高时,具有塑性岩石特性,当含水率增加1.5%时,抗压强度降低70%,碳质页岩层理发育,岩体强度远远小于岩石强度,而多数碳质页岩遇水崩解。根据现场实际调研情况,巷道围岩稳定状况为中等稳定和不稳定,巷道应采用主动支护。具体支护方式为：锚杆+锚索+网+钢筋梯。

图1 煤巷锚杆支护设计技术路线示意图

3)支护设计方案确定。

a)断面形状选择。+90工作面顺槽断面形状为半圆拱,净宽为2.8 m,墙高为1.2 m,净拱半径为1.4 m。

b)支护参数确定。利用工程类比法确定,锚杆直径 d=22 mm,长度为2.2 m,间距0.6 m,排距0.8 m,锚固方式为全长锚固(3个药卷)。锚索直径为15.24 mm,有效长度6 m,排距1.6 m,锚固方式为端头锚固(2个药卷)。金属网直径 3 mm,网格尺寸为50 mm×50 mm,网宽为1.0 m。钢筋梯直径为10 mm,宽100 mm,规格见图2。支护设计见图3。

c)施工工艺流程。掘巷 →打眼→挂金属网→钢筋梯→打锚杆(锚索)。

3 现场应用情况

在+90工作面回采巷道围岩表面安设收敛测量基点及锚杆锚固力动态监测仪,观测该巷道的表面收敛量及锚杆锚固力这些巷道矿压显现的特征值,并对观测结果进行分析,以检验锚杆这种支护形式在该围岩条件下的适应性,检验该支护参数设计是否合理,为本矿井以后的支护设计优化提供一定的技术参考和技术参数。本次矿压观测的主要内容有：巷道表面位移观测,锚杆锚固力动态监测。

1)观测断面的布置及基点安设原理。

a)观测断面布置。在巷道中设置两个观测断面,在每个观测断面处分别安设表面位移测量基点和锚杆锚固力动态监测仪。观测断面间距约10 m,每个观测断面距端部约10 m,图4。

图4 巷道观测面布置示意图

b)观测基点的安设及观测原理。表面位移的测量采用3角形方法进行测量,基点安设见图5。

图5 表面位移观测点布置示意图

三角形表面收敛测量原理见图6：表面收敛点采用收敛计进行测量,观测时只需量测LAB,LAC和LBC3个值为初读数作为日常观测值。

表面位移量计算方法如下：

收敛测量是测量巷道周边两固定点在联系方向上的位移变化,所测得的数值是在两联线方向上位移量之和,为求出每一测点上的位移量的大小,可采用单一闭合三角形法分析解算,见图6。

图6 观察断面表面收敛计算示意图

计算方法如下：

在使用此法进行解算时,为便于分析对所设断面做如下假设：

①围岩变形均发生在与巷道轴线相垂直的断面内;②顶点A处在巷道中心线附近位置,只有竖向位移,认为△AX=0;③帮上两个测点B、C在同一水平上,两点的竖向位移量忽略不计,即△BY=△CY=0。

因此,可以求出在测量中所要求出的未知量△AY、△BX和△CX。用收敛计测量出数据为：

初始基线长度：LAB,LAC,LBC。

任一时刻基线长度：Lab,Lac,Lbc。

当 A、B、C三点移动后,所构成的三角形 a、b、c仍是闭合的,按照前述假设有A E⊥BC,且 E点为不动点,它到各点的初始距离分别为 h、XB、XC。根据勾股定理可以求出：

任一时刻 E点到各点的距离为ha,xb,xc同理,可以求出:

于是各测点的位移:

△A=h-ha

△B=XB-xb

△C=XC-xc

2)观测数据分析。

a)巷道表面位移观测结果与分析。通过一段时间的观测,获取了表面位移的实测值,经计算整理其结果见表1,据此也获得各测点的表面位移变化曲线 ,见图 7,图 8。

从观测计算结果来看,巷道的收敛量不大,在近一个多月的观测时间内,顶板最大下沉量为0.17 mm,两帮最大收敛量0.28 mm,基本没有位移。从观测断面各点的位移变化曲线来看,巷道掘后顶板和两帮位移处于不断的波动之中,但变化不大。说明顶板下沉和两帮收敛量都较小,从巷道变形方向来看,即有巷道的内挤和外移,这可能与施工质量有关(各断面内锚杆的初锚力不同)和岩性差异有关。

表1 表面位移汇总表

总之,从巷道的表面收敛量来看,该巷道表面收敛量不大,说明该支护方式及支护参数对巷道变形的控制来讲是合理的。

b)锚杆锚固力动态监测仪的安设及监测结果与分析。为了掌握顶、两帮的锚杆受力状况,在每个观测断面处于顶和两帮分别安放锚杆锚固力动态监测仪,随工作面的推进及时观测锚固力的变化情况。巷道开挖后,改变了岩体的应力状态,巷道围岩应力将重新分布。锚杆的动态锚固力变化值反映了围岩应力的变化情况。优化的巷道设计使支护体与围岩在协调变形过程中实现巷道的稳定控制,亦即支护体与围岩之间实现耦合(强度耦合、刚度耦合和结构耦合),防止巷道围岩出现高应力腐蚀部位,最终实现载荷的均匀化。

锚杆锚固力的监测结果与分析见图9,图10。

从锚杆锚固力的动态变化曲线来看,锚杆锚固力也在不断的波动,但是波动的幅度不大,波动剧烈时间一般在巷道掘后10天之内,之后也有微小的波动,但是基本趋于稳定值。数值波动说明巷道围岩变形、应力在重新调整协调,最终趋于稳定。其中有锚固力为零的,这可能是现场施工质量差导致了锚杆失效,建议日常加强对锚杆施工质量的检验。

4 结 论

从现场实践及观测结果来看,该支护方式及其支护参数的选择是合理的,锚杆和锚索的作用得到了充分的发挥,有效地控制了巷道的变形和顶板离层,实现了工作面的安全回采,取得了较好的经济效益。

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