全长预应力锚固技术在强烈动压巷道的应用

万世文,李 峰,王晓林

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.潞安矿业集团公司,山西长治 046204;3.潞安环能股份公司漳村煤矿,山西长治 046032;4.潞安环能股份公司郭庄煤矿,山西长治 046204)

全长预应力锚固技术在强烈动压巷道的应用

万世文1,2,李 峰3,王晓林4

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.潞安矿业集团公司,山西长治 046204;3.潞安环能股份公司漳村煤矿,山西长治 046032;4.潞安环能股份公司郭庄煤矿,山西长治 046204)

针对漳村煤矿受强烈动压影响的 2305工作面瓦斯巷地质与生产条件,运用理论分析、数值模拟与现场实践,结合高预应力强力一次支护理论,提出采用全长预应力锚固强力锚杆锚索支护系统进行支护,并取得了成功,有效控制了巷道围岩变形,满足了工作面安全生产要求。

全长预应力锚固;强烈动压;强力支护

Application of Full-length Pre-stress Anchored Bolt i n Roadway with Strong Dynamic Pressure

漳村煤矿进入二水平开采以来,随着开采深度的增加造成矿山压力明显增大,同时由于采掘衔接紧张,在同一采区相邻工作面尚未回采完毕的情况下,就要进行相邻的下一个工作面的准备工作。这样就势必造成邻近回采工作面的掘进巷道要经受多次动压影响,强烈的动压扰动使巷道变形严重,特别是在掘进工作面与相邻回采工作面平行时,巷道变形非常严重,不能满足生产和安全的要求。目前一般的巷道支护方式难以满足这种强烈动压巷道的支护要求。

为此,开展了该条件下全长预应力锚固强力锚杆、锚索组合支护试验。

1 试验巷道地质与生产条件

试验巷道为漳村煤矿 2305瓦斯巷,该巷沿 3号煤层顶板掘进,巷道长度为 1312.5m,与正在回采的 2303工作面之间煤柱为 27m,在煤柱中间掘进 2305回风巷。该处巷道埋深 400m左右。

2305工作面主采煤层为 3号煤层,平均厚度为 6.2m,单轴抗压强度为 8MPa。煤层直接顶为3.7m的泥岩,之上为 2.8m的细砂岩,再往上为3.6m的粉砂岩和 4.2m的细粒石英砂岩。

2305瓦斯巷位于 23采区南部,东部为 23采区大巷,西部为漳村煤矿与常村煤矿井田边界,北部为正在回采的 2303工作面,南面为未采区。2305瓦斯巷大部分要在 2303工作面未回采前掘进,而且 2305工作面先掘瓦斯巷后掘回风巷,2305瓦斯巷既要经受 2305回风巷掘进影响,又要受到 2303及 2305工作面回采动压影响。最大水平主应力为 6.58MPa,方向 N54.7°W;最小水平主应力 3.53MPa;垂直应力为 8.5MPa。工作面布置如图 1。

图1 2305工作面布置

2 围岩应力分布特征的数值模拟

采用应变 -软化模型模拟靠近巷道的岩层和煤层,采用摩尔 -库仑模型模拟其他范围内的岩层和煤层。建立模型的长、宽、高分别为 320m,5m和30m,共划分 52800个单元和 65484个节点,初始模型如图 2所示。

图2 数值模型

垂直应力分布如图 3。从图中可以看出巷道顶板和底板垂直应力下降最为明显,应力云图呈拱形分布,应力下降区在顶底板分布范围很大。随着进入顶底板的深度增加,垂直应力恢复为正常水平。而巷道两帮表面垂直应力下降不明显,低于正常水平,但进入两帮较深部位,垂直应力又升高,高于正常水平,即存在一个垂直应力集中区域。随着进入深度增加,两帮垂直应力恢复正常水平。

图3 垂直应力分布

水平应力分布如图 4。巷道两帮水平应力下降区进入两帮一定深度,而且两帮表面水平应力下降明显,是潜在的拉伸应力破坏区;巷道顶底板浅部水平应力下降较大,但随着进入顶底板深度加大,水平应力逐渐升高,并出现水平应力升高区,然后又逐渐恢复正常水平。并且顶底板范围内的水平应力降低区未明显增加,仍小于两帮的降低区范围。

图4 水平应力分布

3 设计原则

依据强力一次支护原则,高预应力和预应力扩散原则,高强度、高刚度与低密度原则以及临界支护强度和刚度原则进行支护设计。

4 支护方案

4.1 锚固方式的选择

端部锚固具有锚杆自由段比较长,锚杆预紧力作用范围比较大,形成的有效压应力厚度较大的优点,但是由于锚杆与钻孔间有较大间隙,对围岩的变形、离层及错动不敏感。

全长锚固由于锚固剂将锚杆杆体与钻孔孔壁完全粘结在一起,锚杆杆体对围岩变形和离层很敏感,具有能够及时抑制围岩离层和滑动的优点,但是由于锚杆没有自由段,锚杆预紧力作用范围很小,较高的压应力主要集中在锚杆尾部,有效压应力区厚度小。

全长预应力锚固同时具有端部锚固和全长锚固两者的优点,是通过采用不同凝结速度的锚固剂配合来实现,快速锚固剂安放在钻孔深部,慢速锚固剂安放在钻孔浅部。当快速锚固剂凝结后,慢速锚固剂尚未凝结时及时施加预紧扭矩,从而使得预紧力作用范围比较大,形成的有效压应力厚度较大,同时锚固剂充填满锚杆孔,将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起,锚杆杆体受力对围岩变形和离层很敏感,能够及时抑制围岩离层和滑动。

结合漳村煤矿 2305瓦斯巷条件及全长预应力锚固技术的优点,选择全长预应力锚固作为 2305瓦斯巷锚杆的锚固方式。

4.2 支护方案

根据理论分析与数值模拟结果,确定巷道支护形式为：全长预应力锚固强力锚杆、锚索组合支护。锚杆为 22号左旋无纵筋螺纹钢,屈服强度580MPa,长度为 2.4m,极限破断载荷 280kN。全长预应力锚固,设计预紧扭矩为 400N·m,组合构件为厚度 4mm,宽 280mm,长度 450mm的钢护板与直径 16mm,宽 220mm,长度 3450mm的钢筋梯梁配合使用。锚杆间排距为 1000mm×900mm。锚索采用 φ22mm强力锚索,长度 6300mm,延伸率 7%,破断力大于 560kN,锚索打设在巷中,排距 900mm,树脂加长锚固,设计预紧力为 250kN。2305瓦斯巷锚杆支护布置如图 5所示。

5 矿压监测数据分析

为了监测巷道支护质量,在 2305瓦斯巷内布置了表面位移测站和锚杆 (索)测力计,对巷道表面位移量及锚杆 (索)受力进行监测。

(1)巷道表面位移监测 巷道表面位移观测曲线如图 6。在巷道掘进和邻近工作面回采期间,2305瓦排巷两帮最大位移量为 600mm;顶底板移近量最大为 95mm,从安装的顶板离层仪观测数值来看,顶板基本无离层现象。

巷道掘进初期变形不大,两帮移近量为125mm,但由于 2305瓦排巷邻近的 2303工作面正在回采,临近工作面动压影响很强烈,因此,2305瓦排巷在 2303工作面回采后矿压显现强烈,两帮移近量增幅较大。

图5 2305瓦斯巷锚杆支护布置

图6 巷道表面位移监测曲线

同比原有类似条件巷道,采用高强锚杆顶板每排布置 4根 φ22-M24-2400mm锚杆,间排距为900mm×800mm,顶板每排布置 1根 φ17.8mm锚索,巷帮每侧布置 4根 φ22-M24-2400mm锚杆。锚杆预紧力为 150N·m,锚索预紧力为 100kN。由于支护强度不高,在巷道施工和使用过程中,出现巷道收敛、变形,最大变形量达到 1200mm左右,个别地段出现了锚杆锚索断裂、支护失效现象。

(2)锚杆受力监测 锚杆受力如图 7所示。从图中可以得出,初始安装后,锚杆预紧力为40kN以上,部分锚杆预紧力甚至达到 100kN,锚杆受力此后变化不大,基本趋于稳定。这说明全长预应力锚固锚杆有效控制了锚固区内围岩离层、滑动、裂隙张开等扩容变形,保证了锚固区围岩的强度和完整性。锚固区围岩的位移差很小,产生的只是整体性位移。

同时,锚固区内的完整性又保证了锚杆锚固力不降低,锚杆受力变化不大。

(3)锚索受力监测 锚索受力监测曲线如图 8所示。锚索初始预紧力为 150kN,当距掘进头距离为 42.3m时,由于受相邻工作面回采影响,锚索受力急剧增加,达到最大值,此后锚索受力基本稳定在 250kN左右,说明本次试验中,锚索预紧力设计为 250kN是比较合理的。

图7 锚杆受力监测曲线

图8 锚索受力监测曲线

6 结论

(1)全长预应力锚固技术既具有端锚锚杆预应力扩散范围大的优点,又具有全长锚固锚杆对围岩变形和离层敏感的优点,大大提高了锚杆支护的刚度,防止巷道围岩的变形。

(2)全长预应力锚固强力锚杆、锚索支护系统应用于强烈动压巷道支护中,围岩的强烈变形得到有效控制,巷道变形量比普通高强锚杆加长锚固支护巷道减少 50%以上,是强烈动压巷道的一种先进支护方式。

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[责任编辑：林 健 ]

TD353.6

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1006-6225(2011)01-0057-03

2010-09-25

万世文 (1967-),男,湖南双峰人,高级工程师,在读博士研究生,从事煤矿生产技术和管理工作。