全锚索支护软弱煤层碎胀顶板巷道的探析

宋 斌

(赵庄煤业有限责任公司,山西长子 046605)

全锚索支护软弱煤层碎胀顶板巷道的探析

宋 斌

(赵庄煤业有限责任公司,山西长子 046605)

赵庄煤矿 3号煤层井田由于受到多期地质构造的影响,煤层松软破碎,顶板碎胀易剥落,巷道破坏严重：顶板下沉易冒落,巷道移近量大,底鼓严重,有的地段达到 1m,支护难度较大。根据赵庄煤矿巷道围岩变形特征,设计采用高预应力短锚索支护巷道顶板,通过大幅度提高巷道支护体系的强度和刚度,有效地抑制围岩变形。在井下的试验中,采用了高预应力短锚索之后,巷道顶板基本不产生离层,两帮变形也得到有效控制,围岩完整性良好,成功地解决了赵庄矿软弱煤层碎胀顶板的支护难题。

高预应力;短锚索;软弱煤层;碎胀顶板

1 巷道围岩变形特征与原支护存在的问题

赵庄矿井目前所采煤层为 3号煤层。由于受多期构造运动的影响,井田内地质构造复杂,断层破碎带、陷落柱等地质构造非常发育,煤体松软破碎,煤岩体内节理裂隙极其发育,很大程度上降低了煤岩体的强度。

巷道在掘进和使用期间,局部地段出现巷道破坏现象,其破坏形式主要为冒顶、两帮内移以及底鼓现象。

(1)冒顶 如图 1所示,赵庄矿巷道顶板层理发育严重,直接顶以易风化的泥岩为主,顶板变形和破坏具有时效性：在支护初期,顶板微裂隙尚未扩张,保持一定的完整性,锚杆起到一定的作用;随着时间推移顶板逐渐变形,煤岩体内节理微裂隙等结构面开始张开,空气渗透到层理结构面和裂隙中,泥岩风化严重,风化后变脆、脱落,裂隙进一步扩张,促使顶板加剧变形,出现离层,顶板的完整性开始破坏,逐步变成块碎状和松散状态,锚杆附近的围岩开始脱落,锚杆随之失效。

图1 顶板下沉变形

(2)巷道两帮整体向中间挤出 如图 2所示,在巷道掘进初期,巷道两帮会出现向外整体挤出、顶板下沉的现象,经过一段时间后巷道达到一个新的平衡状态,基本达到稳定。但在掘进相邻巷道以及工作面回采时,新的变形就会重新发生,并且变形十分严重,有的巷道两帮甚至接触,这种整体向外挤出变形一旦发展到一定程度后就很难控制。

(3)底鼓 赵庄矿存在特殊地质构造,在东西向有两条明显的应力集中带,每条巷道掘进到这一位置都会产生比较明显的底鼓,在回采期间,相邻工作面基本顶垮落后,严重地段底鼓量达 1.5m。

赵庄矿自建井以来,巷道一直采用锚杆、锚索联合支护。但存在以下问题：一是锚杆预紧力不够,在掘进阶段顶板和两帮的变形严重,不能有效控制围岩的变形和扩容;加上赵庄矿顶板易风化,巷道掘进后不久顶板就开始风化脱皮,形成网包,经常出现前掘后修现象,严重影响掘进速度;另外,网包大了后,有可能在连网接口处撕开,形成突破口,一旦碎石外漏,立即就会出现冒顶。二是锚杆、锚索强度不够,锚杆、锚索被拉断现象严重。三是整体支护刚度不行,无法控制条件差的有害变形。由于巷道变形大,回采时端头支护困难,影响回采效率。

图2 巷道两帮变形

2 高预应力短锚索支护机理

根据数值模拟实验结果,不同长度锚索的应力分布云图 (图 3),从中分析可知：随着锚索长度增加,锚索长度中上部及两锚索之间围岩的压应力逐步减小,锚索的支护作用不断减小;有效压应力区的范围在高度方向上逐渐增加,锚索主动支护作用的范围增加,随着锚索长度增加有效压应力区范围在宽度方向上变化不明显,相反有减小的趋势。

理论上证明了顶板全短锚索支护的合理性以及有效性,当预应力一定时,主动支护性随锚索长度的增加而减弱。

图3 不同锚索长度时的应力分布

3 巷道支护设计

考虑到掘进过程中设备尺寸、通风要求和巷道围岩变形预留量,示范巷道 33011巷设计断面尺寸如下：矩形,掘进宽度为 5000mm,高为 4200mm,掘进断面积为 21m2。

(1)顶板支护 锚索形式和规格：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,间距 1500mm,排距 1500mm;加长锚固,采用 3支树脂锚固剂,1支规格为 K2335,2支规格为 Z2360,锚固长度 1970mm;锚索预紧力不小于 250kN;锚索托盘：采用 14b槽钢,长2200mm,槽钢两孔间距 1500mm,槽钢端部距孔分别 200mm和 500mm,其中 200mm的一端朝向巷道两帮,500mm一端放置在顶板中间,槽钢内配合槽钢垫片。采用 φ6.5mm的钢筋焊接而成的钢筋网,网孔规格 100mm×100mm,网片规格 2700mm×1650mm,网片之间采用钩结方式连接,钩结长度 100mm。如图 4(a)所示。

(2)巷帮支护 锚杆形式和规格：杆体为 22号左旋无纵筋螺纹钢筋,型号 BHRB500,长度2.4m,杆尾螺纹为 M24;每排 5根锚杆,锚杆排距 1500mm,间距 900mm;树脂加长锚固,采用 2支低黏度锚固剂,1支规格为 K2335,1支规格为Z2360,锚固长度为 1675mm,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,靠近顶底板的锚杆安设角度为 10°;锚杆托盘采用拱形高强度托盘,规格 150mm×150mm×10mm;W钢带护板规格 400mm×280mm×4mm;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、底板距离分别800mm,1500mm,排距 1500mm;加长锚固,采用3支树脂锚固剂,1支规格为 K2335,2支规格为Z2360,锚固长度 1970mm;锚索预紧力不小于250kN;锚索托盘采用 300mm×300mm×16mm高强度可调心托盘及配套锁具;网片采用 10号铁丝编织的菱形金属网,网格为 50mm×50mm,网片规格为 4300mm×1650mm,网片之间采用搭接方式用 16号铁丝连接,搭接长度 100mm,每排每帮 2片。如图 4(b)所示。

图4 巷道支护示意

4 矿压分析及支护效果评价

4.1 顶板离层

大巷中共布置了 15个顶板离层仪,监测数据如表 1所示。

表1 顶板离层值

由表 1可知,顶板得到了有效控制,总离层平均值 20.3mm,顶板下沉量比较小。

4.2 巷道表面位移监测

随着掘进面的推进,利用十字布点法监测巷道表面位移,监测数据如图 5,在掘进初期 100m内,巷道有一定变形,之后长期保持了稳定。

图5 巷道表面位移监测

4.3 锚索、锚杆测力计

受力监测曲线如图 6所示。随着巷道的推进,顶板和两帮受力逐渐趋于稳定。

图6 锚索受力监测曲线

从监测数据和现场支护效果 (如图 7)可以看出,采用高预应力短锚索支护方案后,巷道离层和位移得到了有效控制,取得了良好的支护效果。

图7 高预应力短锚索现场支护效果

5 结论

(1)高预紧力支护系统在于控制锚固区内的扩容变形和破坏,保持顶板和两帮围岩完整,形成稳定的预应力承载结构。

(2)高预应力短锚索较低预应力长锚索支护能更好地发挥主动及时的支护作用,在赵庄矿软弱煤层碎胀顶板条件下取得了满意的支护效果,扩大了锚杆支护的应用范围,为类似条件下的巷道支护提供了现场依据。

(3)锚索长度的选择应根据不同的地质条件和巷道断面情况进行科学合理的选择,但并不一定非得打到基本顶稳定岩层。在高预应力作用下形成“刚性”顶板,允许顶板有一定的整体下沉,但不能破坏顶板的完整性。

[1]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.

[责任编辑：邹正立]

Discussion on Supporting Roadway with Broken Soft Roof by Fully Anchored Rope in Soft Coal Seam

SONG Bin
(Zhaozhuang Coal Mining Co.,Ltd,Zhangzi 046605,China)

Influenced by multi-stage geological tectonic,3rd coal-seam of Zhaozhuang Colliery was soft and broken,its roof was easy to fall,and roadway damage was serious.Roadway supporting was very difficult because surrounding rock deformation was very large and floor heave might amount to 1m.Based on roadway deformation characteristic of Zhaozhuang Colliery,short anchored rope with high pre-stress was applied to controlling deformation by improving supporting strength and stiffness.Underground practice showed that roof would not separate and deformation of two-side was controlled effectively after applying short anchored rope with high pre-stress.The difficult problem of supporting broken soft roof was solved.

high pre-stress;short anchored rope;soft coal-seam;broken soft roof

TD353

A

1006-6225(2011)01-0071-03

2010-08-16

宋 斌 (1978-),男,山西晋城人,工程师,赵庄煤业总工程师。