高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)在大斷面巷道中的應(yīng)用

武華太

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西太原 030053)

高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)在大斷面巷道中的應(yīng)用

武華太1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西太原 030053)

在分析了沙曲礦大斷面巷道地質(zhì)和生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上,結(jié)合原有支護(hù)存在的問(wèn)題和高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)理念,提出了 24305膠帶巷的高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)設(shè)計(jì),提高錨桿鋼材的屈服強(qiáng)度,加大護(hù)表構(gòu)件的護(hù)表面積及強(qiáng)度,提高錨桿和錨索的預(yù)緊力,充分調(diào)動(dòng)圍巖的自身承載能力,真正實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)。井下實(shí)踐表明,高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)能有效控制圍巖變形,大斷面膠帶巷的高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)實(shí)踐取得了滿意的效果。

大斷面巷道;高預(yù)緊力;錨桿支護(hù)

Technology ofM ightiness Bolt with High Pre-stress and Its Application in Roadway with Large Section

沙曲礦是華晉焦煤有限責(zé)任公司在離柳礦區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)的第一對(duì)大型現(xiàn)代化礦井,該礦為瓦斯突出礦井,瓦斯成為制約礦井產(chǎn)量的決定因素?？紤]到工作面通風(fēng)要求和瓦斯抽放設(shè)備的空間問(wèn)題,24305工作面膠帶巷斷面形狀為矩形,寬為 5.2m,高為 3.9m,斷面積達(dá)到 20.28m2。該巷斷面較大,頂板節(jié)理裂隙發(fā)育,兩幫煤體松軟,巷道成形較差,原有支護(hù)強(qiáng)度較低,錨桿密度較大,掘進(jìn)速度較慢,支護(hù)效果不理想,需要改進(jìn)支護(hù)方案。

1 基本地質(zhì)條件

24305工作面采用兩進(jìn)一回的通風(fēng)方式,膠帶巷一側(cè)為實(shí)體煤,另一側(cè)為 24305回風(fēng)巷,兩巷煤柱中對(duì)中為 45m。24305膠帶巷位于 3+4號(hào)合并層煤層內(nèi),沿頂板掘進(jìn),工作面埋深為 421～621m。3+4號(hào)合并層煤層厚度在 3.6～4.2m,平均厚度為 4.0m。巷道偽頂不發(fā)育,局部有厚度為0.2m的泥巖,直接頂為灰色中細(xì)砂巖,平均強(qiáng)度為 65.75 MPa,厚度為 5.0m左右;基本頂為 5.5m左右的粗砂巖,平均強(qiáng)度為 82.10 MPa,再上為9.0m左右的黑色泥巖。直接底為灰色中砂巖,老底為 2.5m左右的砂質(zhì)泥巖。3+4號(hào)煤強(qiáng)度主要集中在 14～20MPa,其平均強(qiáng)度為 18.24MPa。

該礦用水壓致裂法進(jìn)行過(guò)地應(yīng)力測(cè)試,離24305膠帶巷最近的地應(yīng)力測(cè)站為 24207軌道巷中的測(cè)站,該處最大水平主應(yīng)力為 10.07MPa,最小水平主應(yīng)力為 6.34MPa。垂直主應(yīng)力為 12.06MPa。

2 大斷面巷道變形和破壞規(guī)律

對(duì)于大斷面巷道,由于其跨度及高度都比較大,且斷面多為矩形,還要受到采動(dòng)的影響,因此,圍巖的變形量和破裂范圍都很大,其主要破壞特征如下：

(1)巷道圍巖變形嚴(yán)重 頂板離層范圍大,通過(guò)井下圍巖鉆孔窺視,大斷面巷道頂板離層范圍一般在 4～5m,局部可達(dá) 6m,超過(guò)了頂板錨桿錨固的范圍,必須使用加長(zhǎng)強(qiáng)力錨索支護(hù)。巷道兩幫移近量大,對(duì)于沿煤層頂板掘進(jìn)巷道,頂板與煤層交界面的摩擦力很小,形成了摩擦力很低的層面(滑面),出現(xiàn)煤幫整體擠出及層間的相對(duì)滑動(dòng)。

(2)巷道圍巖破壞突發(fā)性大 在特殊地段,如小斷層、淋水交岔點(diǎn)、地質(zhì)破碎帶、頂板裂隙發(fā)育或近距離煤層層間距變小時(shí),由于大斷面巷道的跨度、高度大,巷道冒頂突發(fā)性更強(qiáng),且冒頂范圍較大。

(3)巷道底鼓嚴(yán)重 由于巷道支護(hù)往往重視頂板和兩幫的支護(hù)而忽視底板的治理,導(dǎo)致底板成了支護(hù)薄弱點(diǎn)而容易產(chǎn)生底鼓,巷寬越大的巷道越容易發(fā)生底鼓。

3 原有支護(hù)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

沙曲礦 24305膠帶巷原有錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)存在以下主要問(wèn)題：

(1)錨桿桿體強(qiáng)度偏低 頂板采用 φ20mm的HRB335的螺紋鋼錨桿,幫錨桿采用 φ16mm的圓鋼錨桿,破斷力都很小,在井下容易發(fā)生破斷。

(2)護(hù)表構(gòu)件面積小,強(qiáng)度低 頂錨桿采用長(zhǎng)和寬均為 100mm、厚為 6mm的平托板,幫錨桿采用木托板,托梁采用 φ12mm的圓鋼焊接,寬為60mm。護(hù)表面積小,強(qiáng)度低,不能有效約束圍巖的變形,巷道容易出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象。

(3)錨桿預(yù)緊扭矩小 頂板錨桿為 120N·m,幫為 60N·m,不能充分調(diào)動(dòng)圍巖自身的承載能力,從而實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)支護(hù)。

(4)錨索長(zhǎng)度小 僅為 6.3m,不能有效的將淺部錨固體和深部穩(wěn)定巖層連成整體,不能保證頂板的穩(wěn)定。

4 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理念和支護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理念

高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理念從錨桿支護(hù)的作用原理出發(fā),不僅重視錨桿強(qiáng)度,提高單根錨桿的破斷力,而且更重視支護(hù)系統(tǒng)的剛度,特別是錨桿預(yù)應(yīng)力。巷道圍巖一旦揭露立即進(jìn)行錨桿支護(hù),并施加足夠的預(yù)應(yīng)力,現(xiàn)行的方法對(duì)錨桿螺母施加 300～500N·m預(yù)緊扭矩。預(yù)應(yīng)力能控制圍巖早期離層,保持巷道表面圍巖的完整,減少其強(qiáng)度弱化,充分調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力,真正實(shí)現(xiàn)錨桿主動(dòng)支護(hù)。

4.2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)有巷道支護(hù)變形情況以及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,最終提出了 24305膠帶巷高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

(1)頂板支護(hù) 錨桿桿體采用 φ22mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼,屈服強(qiáng)度 500MPa,長(zhǎng) 2400mm。采用 130mm×130mm×10mm拱型高強(qiáng)度托板,樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固,錨固長(zhǎng)度 1100mm。采用 φ16mm圓鋼鋼筋托梁,寬度為 80mm。頂板錨桿間排距為900mm×900mm。錨桿預(yù)緊扭矩不小于 300N·m。

錨索采用 φ17.8mm單根鋼絞線。長(zhǎng) 7300mm,加長(zhǎng)錨固,錨固長(zhǎng)度 1560mm。錨索采用三花布置,間距 1800mm,排距 900mm,錨索預(yù)緊力不小于150kN。

(2)巷幫支護(hù) 錨桿桿體采用 φ22mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼,鋼號(hào)為 500,長(zhǎng) 2000mm。采用130mm×130mm×10mm拱型高強(qiáng)度托板。樹(shù)脂藥卷端錨,錨固長(zhǎng)度 700mm。采用 φ16mm圓鋼鋼筋托梁,寬 80mm,長(zhǎng) 2800mm。錨桿間排距為900mm×900mm。錨桿預(yù)緊扭矩不小于 300N·m。

錨桿支護(hù)布置如圖 1所示。

圖1 24305膠帶巷錨桿支護(hù)布置

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和礦壓觀測(cè)

高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)設(shè)計(jì)方案在沙曲礦 24305膠帶巷試驗(yàn)以后,有效地控制住巷道的變形,增大了錨桿間排距,加快了掘進(jìn)速度,提高了安全程度。

5.1 頂板離層和巷道表面位移

圖2為頂板離層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖 3為 24305膠帶巷表面位移監(jiān)測(cè)曲線。

圖2 頂板離層監(jiān)測(cè)曲線

圖3 巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

頂板淺部離層量為 8mm,深部離層量為 4mm,總離層量為 12mm,淺部離層占總離層量的 67%,說(shuō)明巷道圍巖主要在淺部 (2.3m以內(nèi))發(fā)生離層。淺部和深部離層數(shù)值均小于 10mm,頂板離層得到較好地控制。巷道掘過(guò)測(cè)站 68m后,表面位移基本趨于穩(wěn)定。由于兩幫為煤,頂板為巖層,所以兩幫移近量遠(yuǎn)大于頂板下沉量。兩幫最大移近量為 70mm,兩幫變形同樣得到較好控制。

5.2 錨桿受力和錨索受力

采用錨桿錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)錨桿錨索的受力,圖4為頂板錨桿的受力監(jiān)測(cè)曲線圖 5為錨索受力監(jiān)測(cè)曲線。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,錨桿的初始預(yù)緊力均達(dá)到 40kN以上,隨著掘進(jìn)頭的向前推進(jìn),錨桿受力逐步增大,最終穩(wěn)定在 100kN左右,錨桿的承載力得到較好地發(fā)揮。錨桿受力增長(zhǎng)比較平穩(wěn),說(shuō)明錨桿初始預(yù)緊力較好控制住了巷道離層和圍巖變形。

圖4 頂板錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線

由圖 5可以看出,錨索初期預(yù)緊力達(dá)到 120kN左右,掘進(jìn)期間最終達(dá)到 170kN,同樣錨索受力增長(zhǎng)也比較平穩(wěn),說(shuō)明施加較大的錨索預(yù)緊力能較好地控制巷道圍巖的變形,很好地把錨固區(qū)內(nèi)圍巖與深部巖層結(jié)合起來(lái),調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力,而且最終錨索的受力也是合理的,既充分利用承載力,又留有安全余地。

圖5 頂板錨索受力監(jiān)測(cè)曲線

6 結(jié)論

(1)從礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)在沙曲礦應(yīng)用于大斷面巷道是成功的。有效地約束了圍巖變形,控制住了巷道頂板的離層和表面位移,錨桿錨索的受力也較為合理。

(2)選用面積大強(qiáng)度高的護(hù)表構(gòu)件,對(duì)錨桿錨索施加較大的預(yù)緊力,能有效地約束圍巖變形,保持圍巖的完整性,充分發(fā)揮圍巖的自承載能力,真正實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)。

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[3]張占濤 .大斷面煤層巷道圍巖變形特征與支護(hù)參數(shù)研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院,2009.

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[5]康紅普,姜鐵明,高富強(qiáng) .預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)[J].煤炭學(xué)報(bào),2008(7).

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TD353.6

B

1006-6225(2010)04-0068-03

2010-05-06

武華太 (1959-),男,山西平遙人,高級(jí)工程師 (教授級(jí)),煤炭科學(xué)研究總院在讀博士,從事煤礦生產(chǎn)管理工作。

林 健]

礦壓與災(zāi)害控制