高预应力支护在寺河矿西二盘区大断面顺槽巷道中的应用

2014-10-22 09:34王红兵
山西煤炭 2014年7期
关键词:锚索受力锚杆

王红兵

(山西晋煤集团 泽州天安靖丰煤业有限公司,山西 晋城 048000)

近年来随着采煤技术以及机械设备的快速发展,在条件适宜的情况下,大采高工作面已越来越普遍。寺河矿作为一个高产高效矿井,瓦斯含量特别高,严重影响各项工程的进展,西二盘区巷道在掘进支护过程中,围岩十分破碎,巷道变形严重,顶板和两帮位移较大,底鼓剧烈。锚杆、锚索、钢筋托梁、槽钢托梁和金属网片等支护构件受力很大,变形明显,甚至出现破断,网兜现象严重,巷道支护效果差,巷道安全达不到根本保证。为此急需针对寺河矿的特殊地质条件,探寻适合该矿一次使用巷道的支护技术。

1 工程概况

寺河煤矿现开采3号煤层,该煤层位于二叠系下统山西组下部,埋深为403 m,煤层厚度平均为6.24 m,普遍含有夹矸2层,为稳定煤层,全区可采,煤层倾角平均为4°,内生节理裂隙发育。单轴抗压强度平均为17.72 MPa。寺河煤矿W2301工作面为一次采全高工作面,工作面长度200 m,工作面由东向西依此布置有15巷、11巷、13巷、12巷和14巷,其中15巷与11巷间煤柱中-中为20 m,13与12巷间煤柱中-中为35 m,12与14巷间煤柱中-中为20 m。工作面北侧布置切眼,南侧布置回撤通道。回采巷道、切眼和回撤通道均沿煤层底板掘进。本文主要研究23013巷,巷道整体处在一个中间低两头高的宽缓向斜区域,煤层整体较平,坡度变化范围为0°~8°,平均为5°。直接顶为砂质泥岩和中粒砂岩,砂质泥岩呈灰黑色,中厚层状,平均厚度为4.16 m,中粒砂岩呈深灰色,厚层状,平均厚度为3.4 m;老顶为砂质泥岩,呈灰黑色,中厚层状,平均厚度为11.8 m;底板为砂质泥岩,呈灰黑色,中厚层状。

2 支护原理

近年来随着煤巷锚杆支护技术的快速发展,对锚杆支护理论的研究也取得较大进展,经大量的研究发现,锚杆支护的本质是改善锚固区围岩力学性能与应力状态,从而控制围岩变形和破坏。本文针对寺河矿W23013巷道围岩破碎、巷道变形严重等问题,运用康红普研究院提出的高预应力、强力支护理论,分析复杂条件下锚杆的支护作用。

巷道围岩变形主要包括结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等扩容变形(不连续变形),和围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形等(连续变形),开巷后围岩先产生不连续变形。预应力锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的扩容变形,使锚固区围岩成为刚度较大的承载的结构,同时改善围岩深部的应力分布状态。通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到深部围岩中,实现预应力有效扩散,对支护效果起着决定性作用。预应力锚杆支护系统的刚度大于一定的值时,锚固区才能不产生明显离层,围岩变形得到有效控制,其关键是锚杆预应力。因此,对于条件复杂巷道,应采用高预应力、强力锚杆支护。

3 数值模拟研究

3.1 不同方案预应力扩散对比

根据本文研究背景的具体地质和技术条件,运用数值模拟软件分别模拟了不同锚杆直径、不同锚杆锚索间排距情况下,锚杆锚索在零原岩应力场中的扩散情况。对比分析可知:①23013巷两帮施工4根直径为22 mm的锚杆能在巷帮形成有效的压应力叠加区域,锚杆预应力扩散效果明显。②23013巷顶板锚杆预应力扩散效果明显,当顶板布置6根锚杆时,压应力叠加区域非常明显;当顶板布置5根锚杆时,压应力叠加区域不能覆盖整个顶板,两根锚杆之间煤岩体的压应力值较6根锚杆情况下有一定减少。③锚杆直径对预应力在锚杆长度方向一定影响,锚杆直径为22 mm时,沿着锚杆长度方向围岩受力更为均匀;同时锚杆直径的增加,锚杆本身的力学性能增强,在受到动压影响下抗冲击性能更强而不易被拉断或剪断。部分模拟图片,见图1。

图1 预应力场分布

3.2 巷道掘进阶段方案对比

为分析巷道掘进阶段锚杆间排距、锚杆直径和锚索排距对支护效果的影响,首先模拟分析无支护状态下,巷道围岩变形破坏情况。由数值模拟分析可知,在无支护作用时,巷道顶板及两帮塑性区发育范围较大,破坏严重,巷道顶板及两帮变形量较大,分别达到285 mm和389 mm。

1)顶板锚杆根数。模拟顶板每排5根、6根和7根锚杆三种情况下巷道围岩变形量。分析可知:5根锚杆时,巷道顶板下沉量和两帮相对移近量分别为163 mm和256 mm,分别降低42%和34%;6根锚杆时,巷道顶板下沉量和两帮煤体相对移近量分别为86 mm和165 mm,降低量达到69%和57%;7根锚杆时,支护状况与6根锚杆时接近,顶板及两帮变形量变化不大。

2)顶板锚杆直径。锚杆直径是影响支护强度的重要因素,对18 mm、20 mm、22 mm、24 mm四种不同锚杆直径下巷道围岩变形量模拟分析可知:巷道顶板下沉量和两帮相对移近量与锚杆直径成反比例关系,即顶板下沉和两帮相对移近量随着锚杆直径增大而减小,且直径小于22 mm时,顶板下沉量变化很快,大于22 mm时,顶板下沉量变化不明显。

3)顶板锚杆排距。结合矿井以往支护经验,模拟分析1.0 m和1.1 m两种排距时,巷道顶板下沉量的变化情况。排距为1.0 m时,顶板下沉量为86 mm;排距为1.1 m时,顶板下沉量为142 mm,相比增加56 mm。可见排距由1.0 m增大到1.1 m时,对支护效果影响很大。

4)顶板锚索排距。对2 m、3 m和4 m三种锚索排距进行模拟,可得出:随着锚索排距的增加,巷道顶板下沉量逐渐增加,两者呈正比例关系,且排距小于3 m时,顶板下沉量变化缓慢,大于3 m时,顶板下沉量变化较大。为保证巷道回采期间安全,锚索排距应为2 m。

4 工程应用

4.1 支护方案设计

考虑到巷道掘进过程中的设备尺寸、通风要求以及巷道围岩变形预留量,设计巷道断面尺寸如下:23013巷呈矩形,掘进宽度5 000 mm,高度3 800 mm,掘进断面积19 m2。经过数值模拟分析,W23013巷道支护采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统,并进行锚索补强支护,支护布置图见图2,支护参数如下:

图2 W23013巷锚杆支护布置图

1)顶板支护。顶锚杆采用BHRB500钢材22号左旋无纵筋螺纹钢筋,长2 400 mm,每排6根锚杆,间距排距为900 mm×1 000 mm,全部垂直巷道顶板布置;锚固剂采用一支MSK2335和一支MSZ2360树脂锚固剂,锚固长度为1 208 mm,锚固力不小于190 kN;锚杆预紧力矩不小于400 Nm;顶板锚杆采用钢筋托梁联接;锚杆配件力学性能与锚杆杆体配套;采用规格为5 400 mm×1 100 mm菱形网护顶,网片之间相互搭接,长度为100 mm。锚索采用2-0-2布置,直径为22 mm,长7 300 mm,间排距为2 000 mm×2 000 mm,全都垂直巷道顶板打设;采用端部锚固,一支MSK2335和两支MSZ2360树脂锚固剂锚固,锚固长度1 970 mm;锚索预紧力不小于250 kN。

2)巷帮支护。巷帮锚杆规格、锚固方式以及锚杆预紧力矩均与顶板相同,不同之处为:锚杆布置形式为每排4根锚杆,间排距1 000 mm×1 000 mm,锚杆应垂直巷帮打设,靠近顶板锚杆打设角度不大于10°;采用规格为 280 mm×350 mm×4 mm W钢护板;采用规格为3 600 mm×1 100 mm菱形网护帮,网片之间相互搭接,长度为100 mm。

4.2 矿压监测

1)围岩位移观测。采用十字布点法安设表面位移监测断面,对W23013巷在掘进期间对表面位移进行了监测,测站的监测曲线图,见图3。由监测曲线可知:巷道由掘进完成到巷道稳定,巷道两帮最大移近量为30 mm,巷道顶板下沉量为10 mm,底鼓量为13 mm,底鼓量占巷道顶底总移近量的56.5%;巷道底鼓量占巷道顶底板总移近量的比例较大,对顶板支护效果明显。巷道在掘进期间内变形量较小,围岩保持了较好的完整性,说明高预紧力锚杆锚索支护有效地控制了巷道围岩的变形。

图3 表面位移监测曲线图

由监测曲线可知:巷道由掘进完成到巷道稳定,巷道两帮最大移近量为30 mm,巷道顶板下沉量为10 mm,底鼓量为13 mm,底鼓量占巷道顶底总移近量的56.5%;巷道底鼓量占巷道顶底板总移近量的比例较大,对顶板支护效果明显。巷道在掘进期间内变形量较小,围岩保持了较好的完整性,说明高预紧力锚杆锚索支护有效地控制了巷道围岩的变形。

2)支护体受力监测。采用液压枕式的锚杆测力计测试顶帮锚杆、锚索受力。由监测结果分析可知:顶板和巷帮锚杆受力总体上呈递增趋势,锚杆发挥了应有的支护效果,起到了控制围岩变形的作用;巷帮锚杆后期受力减小其原因为帮部煤体酥松导致应力损失,巷帮底角处锚杆受力较大,说明巷道底角为应力的集中区,是支护的重点部位。顶板锚索受力整体是增大的趋势,对控制围岩变形起到了一定的抑制作用;巷帮锚索受力没有明显的增大,表明巷帮在强力锚杆锚索支护作用下,巷道围岩矿压显现不剧烈,变形量不大。

5 结束语

1)分析了不同锚杆间排距、锚杆直径和锚索排距对预应力扩散及支护效果的影响;采用直径为22 mm的锚杆,顶板布置6根,巷帮布置4根,锚杆间预应力的扩散效果最为明显,巷道顶板下沉量和两帮煤体相对移近量分别为86 mm和165 mm,较无支护时分别降低69%和57%,巷道围岩变形得到有效控制。

2)矿压观测表明,锚杆锚索受力比较均匀,整个掘进期间内巷道变形量较小,巷道围岩保持了较好的完整性,说明高预紧力锚杆锚索支护有效地控制了巷道围岩的变形。

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