浅埋深高应力煤巷锚杆支护技术研究

张力生,汪占领,陈治中,王海龙

(1.神华宁夏煤业集团公司生产技术部,宁夏银川 750004;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;3.神华宁夏煤业集团公司枣泉煤矿,宁夏灵武 751409)

浅埋深高应力煤巷锚杆支护技术研究

张力生1,汪占领2,陈治中3,王海龙3

(1.神华宁夏煤业集团公司生产技术部,宁夏银川 750004;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;3.神华宁夏煤业集团公司枣泉煤矿,宁夏灵武 751409)

针对浅埋深高应力巷道条件,在地质力学现场测试和钻孔窥视的基础上,分析了浅埋深高应力巷道变形破坏的主要原因,提出采用高预应力锚杆支护技术进行此类巷道支护,并成功应用于枣泉煤矿 11201工作面回风巷,巷道围岩变形得到有效控制,巷道变形降低 80%以上,支护状况发生了本质改变。

浅埋深;高预应力;锚杆支护;构造应力

Technology of Anchored-bolt Supporting Shallow-buried Coal Roadway with High Stress

随着煤矿开采深度、广度和强度的不断增加,出现了大量复杂困难巷道,如围岩松软膨胀巷道、受强烈动压影响巷道等。国内学者研究的方向也随之转移到深部复杂困难巷道支护技术上来,但对于浅埋深高应力煤巷支护问题,国内研究甚少,一般认为埋深较浅,压力不大,支护简单。但国内浅埋深巷道同样出现巷道严重变形情况甚至冒顶事故,就像浅埋深工作面支架工作阻力比深部工作面工作阻力还要大一样,由于埋深较浅,工作面采动影响可能波及到地表,矿压显现同样剧烈,加之构造应力叠加,围岩变形强烈、破坏范围大,巷道往往需要多次维修与翻修,巷道安全得不到保证。

枣泉煤矿 11201工作面回风巷是西翼首采区首采面回风巷,埋深 250m左右,巷道与碎石井背斜轴部基本平行,与背斜轴的间距在 60～300m,越靠近切眼间距越小。在巷道掘进至 1300m左右时,煤炮声频繁,左帮围岩破碎,巷道顶板及上帮变形较大,多处发生锚杆、锚索断裂现象,严重影响掘进速度。从 3月中旬到 5月底共掘进 160m,平均日进尺在 2m左右,且巷道安全无法保证,不得已采用架棚维护。为保证巷道安全及西翼采区首采面按期投产,神华宁夏煤业集团公司与天地科技股份有限公司开采设计事业部合作,针对浅埋深高地应力巷道进行了高预应力锚杆支护技术研究。

1 生产地质条件

11201工作面回风巷处于碎石井背斜轴西翼,巷道位于二煤层中,沿煤层底板掘进。二煤煤厚4.74～9.42m,平均 7.88m,煤层倾角 8°。二煤顶板由厚 2.5m左右的炭质泥岩和 1.2m左右的细砂岩交错构成,其上为 7.0m的粗砂岩。二煤底板以厚 5.46m和 8.99m的粉砂岩为主,中间夹一层厚度 2.34m的细砂岩。巷道埋深在 250m左右。

地应力测试结果表明,11201工作面回风巷附近最大水平主应力为 6.48MPa,且越靠近切眼最大水平主应力越大,侧压系数为 1.33,最大水平主应力方向与巷道轴向夹角在 70°左右。

巷道设计为矩形断面,掘进宽度 4800mm,掘进高度 3850mm。

2 围岩深部破坏钻孔窥视情况及原因分析

2.1 钻孔窥视情况

为详细了解 11201工作面回风巷已掘段顶板破坏范围和状况,在 11201工作面回风巷布置了 3个窥视检查孔。从钻孔窥视结果来看,11201工作面回风巷已掘段顶板 2.4m范围内煤体裂隙非常发育,顶板煤体破碎严重,破坏状况如图 1～图 6。

2.2 11201工作面回风巷严重变形原因分析

11201工作面回风巷变形严重主要原因：

(1)巷道位于大背斜轴部附近,背斜构造在形成过程中积聚了较高的构造应力,巷道开挖后应力释放,因此,巷道压力大,煤炮声频繁。

(2)锚杆支护参数不合理,锚杆、锚索预紧力太小,预应力扩散效果太差,支护刚度低,致使锚杆主动支护作用不能发挥,不能有效控制围岩早期离层与破坏,围岩强度与完整性丧失过大。

图1 顶板 1.35m处环向裂隙

图2 顶板 2.3m处破碎带

图3 顶板 2.8m处环向裂隙

图4 顶板 3.4m处纵向裂隙

图5 顶板 6.2m处泥岩

图6 顶板 6.5m处泥岩

3 11201工作面回风巷未掘段高预应力支护试验

3.1 高预应力强力支护理念

高预应力强力支护理念从锚杆支护的作用原理出发,不仅重视锚杆强度,提高单根锚杆的破断力,而且更重视支护系统的刚度,特别是锚杆预应力。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护,并施加足够的预应力,预应力能控制围岩早期离层,保持巷道表面围岩的完整,减少其强度弱化,充分调动围岩自身承载能力,真正实现锚杆主动支护。

3.2 高预应力锚杆支护设计方案

针对巷道高地应力特点,结合数值模拟结果,确定支护方案为：

采用BHRB500号左旋无纵筋专用螺纹钢锚杆,顶锚杆 φ22mm,长 2400mm,极限拉断力 266kN,屈服力为 190kN,延伸率 22%;帮锚杆 φ20mm,长 2000mm,极限拉断力 200kN,屈服力为 160kN,延伸率 22%。树脂加长锚固,预紧力矩设计为400N·m。顶部采用W钢带做为组合构件,宽度280mm,厚 3mm;两帮采用W型钢护板做为组合支护构件,宽 280mm,长 450mm,厚 5mm。锚索采用长 7300mm,φ17.8mm的预应力钢绞线,锚索托板采用 16mm厚钢板制作的 300mm×300mm拱型托板,锚索设计预紧力 180kN。锚杆间排距为1000mm ×1000mm。支护布置见图 7。

图7 锚杆支护布置

3.3 支护效果对比

从井下现场来看,支护效果改善非常明显(见图 8),原有锚杆支护段两帮移近量 770mm左右,顶板下沉量 950mm左右。高预应力锚杆支护两帮移近量 135mm左右,顶板下沉量 162mm左右,分别比原锚杆支护巷道降低 82.9%和 82.5%,巷道围岩变形降低幅度非常显著。顶板和左帮片帮和随掘随冒现象消失,顶帮煤体保持了很好的完整性。掘进速度由原来的日进尺 2m左右提高到日进尺 14.3m,掘进速度提高了 7倍多,且避免了前掘后修的现象。

图8 不同支护方案巷道支护状况对比

为了进一步验证高预应力锚杆支护效果,在高预应力锚杆支护段进行了钻孔窥视。从窥视结果看,顶板煤体保持完整,裂隙发育不明显,窥视情况见图 9。

图9 高预应力支护段钻孔窥视结果

4 结论

(1)枣泉煤矿 11201工作面回风巷虽然埋深较浅,但由于靠近大背斜轴部,构造应力较大,矿压显现剧烈,围岩破坏严重,巷道支护难度大。

(2)针对浅埋深高构造应力巷道支护,通过提高锚杆锚索预紧力,并通过匹配的护表构件使其有效扩散,对支护效果起了决定性作用。

(3)枣泉煤矿井下试验表明,高预应力锚杆支护对浅埋深高地应力巷道围岩有非常有效地控制作用,巷道围岩变形降低 80%以上,巷道支护状况发生了本质的改变。

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

[5]汪占领 .冲击倾向性煤层巷道围岩稳定性控制研究及应用[A].煤矿高效开采与冲击地压新技术 [C].北京：煤炭工业出版社,2008.

[责任编辑：林 健]

TD353.6

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1006-6225(2011)02-0063-03

2010-11-01

张力生 (1955-),男,宁夏中宁县人,高级工程师,总工程师,长期从事煤炭科技管理及研究工作。