赵庄煤矿受采动影响巷道支护设计

赵建国

(晋城煤业集团赵庄煤业有限责任公司,山西长子 046605)

赵庄煤矿受采动影响巷道支护设计

赵建国

(晋城煤业集团赵庄煤业有限责任公司,山西长子 046605)

赵庄煤矿 33014巷是二次复用巷道,断面大,受采动影响严重。根据巷道围岩条件,在“一次支护原则”、“三高一低”原则以及相互匹配、可操作性和经济性原则基础上,确定锚杆支护各参数,顶板采用预紧力全锚索支护,巷帮采用锚杆锚索组合支护系统。通过大量观测显示,顶板下沉量最大 120mm,两帮移近量最大 500mm,完全满足 3301工作面回采使用要求。

采动影响;锚杆支护;支护设计;预应力

Research on Supporting Technology of Roadway Influenced by Mining in Zhaozhuang Colliery

1 巷道基本条件

33014巷是赵庄煤矿二次复用巷道,首先是3301工作面的进风巷,同时作为留巷又要为下一个工作面服务,将作为 3302工作面的回风巷,受采动影响程度大。

巷道断面为矩形,掘进宽度 5000mm,高度4200mm,掘进断面积 21m2,净宽 4800mm,净高4100mm,净断面 19.68m2。

33014巷所在 3号煤层平均厚度 4.85m,倾角为 1～8°,平均倾角 5°,直接顶中,砂质泥岩单轴抗压强度在 26.4～35.2MPa,细粒砂岩单轴抗压强度为 73.2MPa。3号煤层顶底板情况见表 1。

表1 3号煤层顶底板情况

2 锚杆支护设计

根据多年的科学研究及现场经验,认为锚杆支护应遵循以下基本原则：一次支护原则、高预应力和预应力扩散原则;“三高一低”原则,即高强度、高刚度、高预紧力与低支护密度原则,此外还有临界支护强度与刚度原则、相互匹配原则、可操作性原则、经济性原则。

在以上原则的基础上,锚杆支护参数主要包括：种类、几何参数、力学参数、密度 (间、排距)、安装角度、钻孔直径、锚固方式和锚固长度、预紧力矩或预应力、钢带型式、规格和强度、金属网形式、规格和强度。

2.1 锚杆几何参数

(1)锚杆直径 锚杆直径的选取从技术上主要考虑两方面的因素：

其一,锚固剂的锚固效果。对于螺纹钢锚杆,钻孔直径与杆体直径之差应控制在 10mm范围之内才能保证锚固效果,以 6～8mm为最佳 (同时考虑锚固效果与施工难易程度)。对于 φ28mm的钻孔,锚杆的最小直径不能小于 18mm,较为合理的锚杆为 φ20mm,φ22mm;对于 φ25mm的锚杆,钻孔直径应在 30～35mm之间。

其二,锚杆杆体强度。在锚杆杆体材质相同的情况下,直径越大,其强度越高。

围岩比较破碎、应力较大的巷道,一般选用直径较大的锚杆;反之,顶板比较完整、整体变形量较小的巷道宜选用直径较小的锚杆。

深部及复杂条件下巷道地应力高、围岩比较松软,还要受到二次动压影响,属于复杂困难巷道条件,应选取强度大、直径大的锚杆。

针对赵庄矿具体条件,锚杆选择 φ22mm,锚索选择 φ22mm。

(2)锚杆长度 合理的锚杆长度应包括锚固于稳定承载岩层中的长度、不能自身稳定岩 (分)层厚度之和以及外露段长度,锚杆长度应不小于：

式中,l为锚杆长度;lw为锚固于稳定、承载岩(分)层的长度;为锚固范围内有稳定岩层时,为不稳定岩 (分)层厚度之和;无稳定岩层时,为形成稳定的块体梁所需的岩层厚度;lz为外露段长度。

深部及复杂条件下巷道,围岩压力大,变形破坏范围较大,在设计中一般采用较高的预应力,因此一般选则较长的锚杆。

在赵庄煤矿 33104巷做了顶板窥视工作得出：在 0.5～2.1m处煤体节理、裂隙比较发育,煤体完整性较差;在顶板 3.4m处存在软弱夹层,3.3m与 6.0m处存在裂隙,节理、裂隙及软弱夹层的存在极大削弱了顶板的强度,在支护设计中,应选择合理的锚索长度。

因此,对于赵庄煤矿支护设计顶板全部采用5400mm长的锚索,巷帮采用 2400mm长的锚杆,并且用 5400mm长的锚索加强支护。

2.2 锚杆力学参数

锚杆力学参数包括杆体的屈服强度、拉断强度、抗剪强度和延伸率等。

传统的锚杆杆体材料主要是 Q235圆钢和20MnSi建筑螺纹钢。Q235圆钢的屈服强度仅为235MPa,拉断强度为 380MPa;20MnSi建筑螺纹钢屈服强度为 335MPa,拉断强度为 510MPa,均属于低强度锚杆材料。为了满足巷道支护的要求,又开发了锚杆专用螺纹钢,并形成系列,屈服强度分别达到 400MPa,500MPa,600MPa以上,最大拉断强度超过 800MPa,真正实现了高强度。

对于选取锚杆力学参数,一般遵循以下原则：

(1)优先选取高强度锚杆,以提高巷道支护效果,保证巷道安全。

(2)锚杆杆体强度应与施加的预应力相匹配。锚杆强度选择与控制巷道围岩离层、滑动等所需要的预应力相匹配,不仅显著增加巷道支护的效果,还能降低单位面积上锚杆的支护密度,有利于快速掘进巷道。

赵庄煤矿 33104巷直接顶以泥岩和砂质泥岩为主,厚度 5.85m,强度主要集中在 26.4～35.2MPa之间,单轴抗压强度较小;之上为 0.3m厚的泥质砂岩,层理比较发育,抗压强度为 60.1MPa;再上为细砂岩,厚度为 0.65m。从顶板结构看,锚杆支护不能满足要求,顶板应采用全锚索支护,可采用1×19股 φ22-5400mm高强度低松弛预紧力钢绞线。

33104巷帮向外挤出现象比较严重,巷帮可采用杆体为 22号左旋无纵筋螺纹钢筋,型号BHRB500,长度 2400mm,杆尾螺纹为M24。

2.3 锚固参数

锚固参数包括锚固剂的型号、规格尺寸、锚固时间和锚固长度等。

锚固剂直径应与钻孔直径和锚杆直径相匹配,一般比较合理的锚固剂直径比钻孔直径小 5mm。

锚杆锚固长度主要分为端部锚固、加长锚固和全长锚固。

(1)对于端部锚固锚杆,锚杆拉力除锚固端外,沿长度方向是均匀分布的。一般端部锚固成本相对较低,易于安装,施工速度快,但是支护刚度比较低,控制围岩离层与滑动的能力较差,适用于围岩比较完整、稳定,压力小的巷道。

(2)对于全长锚固锚杆,锚固剂将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起,使锚杆随着岩层移动承受拉力。一旦岩层发生错动时,与杆体共同起抗剪作用,阻止岩层发生滑动,但是全长锚固成本较高,安装速度相对较慢,比较适用于围岩较破碎、结构面发育、压力大的巷道。

(3)加长锚固锚杆兼有端锚与全锚的特点。加长的锚固段可有效控制围岩的离层与滑动,靠近孔口的自由段便于施加预应力,支护成本和安装速度介于端锚和全锚之间。

根据赵庄煤矿 33104巷实际情况,确定巷道顶板采用加长锚固：3支树脂锚固剂,1支 K2335,2支Z2360,钻孔直径 28mm;巷帮加长锚固,采用 2支锚固剂,1支 K2335,1支 Z2360,钻孔直径 28mm。

2.4 预应力

预应力是锚杆支护中的关键参数,对支护效果起着决定性作用。但是,长期以来,由于很多矿区没有认识到预应力的重要性,并且锚杆、锚索施工机具不能提供较大的预应力,导致锚杆、锚索施加的预应力普遍偏低,一般锚杆预紧力矩为 80～120N·m,锚索预紧力只有 100kN左右,没有充分发挥锚杆支护系统主动支护的效果,严重影响了锚杆支护作用的发挥。

锚杆、锚索预应力设计的原则是控制巷道围岩不发生明显的离层和滑动。井下多年经验表明：合理的预应力值,能够对巷道离层与滑动进行有效控制。根据国内外的矿区实践经验,结合我国煤矿巷道条件,确定锚杆、锚索预应力为杆体屈服载荷的30%～50%,因此,锚杆、锚索直径越大,杆体材质强度越高,要求的预应力值也就越高。

对于 HRB600、直径 25mm的强力锚杆,预应力的取值范围为 90～150kN。

对于 φ22mm的锚索,预应力取值范围为 180～300kN,锚索的屈服载荷越高,要求的预应力就越高。

赵庄矿顶煤和直接顶极易风化,且微裂隙发育。掘开巷道后,当支护不及时或支护强度、刚度较小时,锚杆只有靠顶板变形后才能起作用,这时顶板微裂隙开始张开,空气进入裂隙后,造成顶板裂变成小碎块,出现掉碴、脱皮现象。较大的预紧力能有效控制微裂隙扩张,不易风化,鉴于此,33104巷顶板锚索预紧力应≥250kN,巷帮锚杆锚固力≥150kN,预紧力矩≥400N·m。

3 现场应用

根据给出的锚杆支护设计原则及方法,结合赵庄煤矿现场的实际情况,最终对赵庄煤矿 33014巷顶板采用高预紧力全锚索支护、巷帮采用锚杆锚索组合支护系统。

3.1 掘进时支护设计

(1)顶板支护 锚索采用 1×19股 φ22-5400mm高强度低松弛预紧力钢绞线;每排 4根锚索,排距 1500mm,两边 2根锚索距离巷帮350mm,中间 2根锚索间距 1300mm;加长锚固,3支树脂锚固剂,1支 K2335,2支 Z2360,钻孔直径 28mm,锚索预紧力不小于 250kN。

钢筋网采用 φ6.5的钢筋焊接而成,网孔100mm×100mm,网片规格 2700mm×1650mm,钩结长度 150mm,每排 2片。

(2)巷帮支护 锚杆为 BHRB500号 φ22mm左旋无纵筋螺纹钢筋,长度 2400mm,杆尾螺纹为M24;排距 1500mm,每排 5根锚杆,间距 950mm;树脂加长锚固,1支 K2335,1支 Z2360,钻孔直径 28mm,锚杆锚固力不小于 150kN,预紧力矩不小于 400N·m;锚杆均垂直巷帮布置,靠近顶底板的锚杆考虑施工困难,安设角度不能大于 10°。

锚索采用 1×19股 φ22-5400mm高强度低松弛预紧力钢绞线,每排 2根,锚索距离顶、底板分别为 800mm,1500mm,排距 1500mm;加长锚固,3支树脂锚固剂,1支 K2335,2支 Z2360,锚索预紧力不小于 250kN;

网片采用 10号铁丝编织的菱形金属网护帮,网孔 50mm×50mm,网片 4200mm×1650mm,搭接 150mm,每排每帮 1片。

33014巷掘进时支护设计如图 1。

图1 33014巷掘进时支护设计

3.2 工作面回采前补强支护设计

顶板支护 顶板不进行补强,只在横川交岔口加强支护。

巷帮支护 在巷帮原 2根锚索中间,每隔 1排补打 1根 φ22-5400mm高强度低松弛预紧力钢绞线锚索,锚索预紧力不小于 250kN。

工作面回采前 33014巷补强支护设计如图 2。

图2 工作面回采前 33014巷补强支护设计

3.3 赵庄煤矿 33104巷支护效果分析

3301综采工作面自 2010年 3月 1日开始回采,到 2010年 6月初工作面推进将近 400m。对 33014巷进行了长期的矿压监测,收集 2个多月的矿压资料,锚索受力检测如图 3所示。从图 3可看出：

图3 33014巷锚索受力

(1)锚索受力比较均匀,没有太大的变化,说明 33014巷道整体比较完整,位移量不大,锚索受力没有明显的增大。

(2)反过来,顶板锚索受力都在 220kN以上,巷帮锚索受力都在 100kN以上,锚索受力比较大,很好地控制了巷帮的变形,保证了巷道围岩的完整性,使锚索的受力不是一直增大。

这说明锚索设计要求预紧力达到 250kN是合理的,起到了控制围岩变形的目的。从锚索受力情况看,支护效果良好。

同时对 33104巷表面位移进行了大量观测,最终结果也显示,33104巷整体没有太大的变形,顶板下沉量最大 120mm,巷道两帮移近量最大500mm,完全能满足 3301工作面回采使用要求。

4 结论

(1)锚杆支护应遵循一次支护、高预应力和预应力扩散、“三高一低”、相互匹配等原则。

(2)锚杆支护参数设计应细化,综合考虑几何参数、力学参数、锚固参数、预应力等因素。

(3)高预应力 (250kN)、短强力锚索(5400mm),加长预应力锚固,顶板采用全锚索支护,巷帮锚杆、锚索联合支护布置,是解决高地压、大变形、围岩破碎巷道支护难题的有效支护手段,其中预应力是影响锚杆支护体系支护效果的关键因素。

(4)给出的锚杆支护原则和锚杆支护参数设计方法,应用在赵庄煤矿受采动影响的 33104巷取得良好的支护效果,不仅解决了巷道支护难题,同时验证了支护理论的正确性,而且积累了丰富的宝贵经验,为以后类似条件巷道的支护奠定了基础。

[1]康红普,王金华,等 .煤巷锚杆支护理论与成套技术 [M].北京：煤炭工业出版社,2007.

[2]康红普,林 健,吴拥政 .全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用 [J].煤炭学报,2009,34：1153-1159.

[3]周茂春,周学斌,王学斌 .深部大断面硐室高强稳定型支护技术 [J].煤矿开采,2010,15(3)：62-63.

[4]解子文 .高预应力强力支护系统在王坡煤矿的应用 [J].煤矿开采,2010,15(4)：71-72.

[责任编辑：邹正立 ]

TD353

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1006-6225(2011)02-0059-04

2010-10-18

赵建国 (1969-),男,山西晋城人,工程师,现任赵庄煤业有限公司董事长。