新勝井+90工作面回采巷道錨桿支護設(shè)計研究

王 軍

(遼寧省阜新市國土資源局)

工作面回采巷道圍巖(除底板外)均是強度較低的煤體,且圍巖處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中。煤體中存在許多原生裂隙,受掘進和回采工作面采動影響,巷道表面煤體會在原生裂隙基礎(chǔ)上產(chǎn)生一些新裂隙,特別時在超前支承壓力作用下,巷道圍巖會產(chǎn)生大量新的裂隙,巷道變形相對比較嚴重,以至于影響正常的安全生產(chǎn)。巷道變形有兩個特點：一是變形的程度相對較大;二是變形以圍巖塊體間的錯動和擴容為主。因此,采取合理的支護方案控制巷道圍巖變形對于采掘工程時間具有重要意義。本文針對新勝井+90工作面順槽地質(zhì)條件及巷道圍巖變形破環(huán)特點,運用錨桿支護機理設(shè)計了一套支護方案,經(jīng)現(xiàn)場實踐檢驗,支護效果良好,實現(xiàn)了該工作面的安全生產(chǎn)。

1 新勝井+90工作面回采巷道概況

新勝井是杉松崗礦業(yè)集團公司技改礦井,該礦井為斜井開拓,原設(shè)計產(chǎn)量15萬 t/年。技改后,生產(chǎn)能力達到21萬 t/年。新勝井+90工作面回采煤層為6#煤層,采高為1.6～2.1 m,煤層平均傾角為11°。由于該礦井6#煤層頂板為泥巖,強度低,壓力大導(dǎo)致巷道破壞嚴重,急需進行支護改革。

2 +90工作面回采巷道支護設(shè)計

1)支護設(shè)計方法選擇。根據(jù)松軟巖巷道支護設(shè)計方法和該礦井煤層賦存狀況,以及礦井煤巖物理力學(xué)性質(zhì)指標測定結(jié)果,該工作面回采巷道支護設(shè)計方法采用工程類比法。設(shè)計技術(shù)路線見圖1。

2)巷道圍巖分類與支護形式確定。由煤巖物理力學(xué)性質(zhì)指標測定成果可知,6#煤直接頂為碳質(zhì)泥巖,抗壓強度為41.53 M Pa,底板為碳質(zhì)頁巖,抗壓強度為39.23 M Pa,老頂為粉砂巖,抗壓強度為5.41 M Pa。眾所周知,泥巖的特點是遇水膨脹和崩解,當(dāng)泥巖含水率較低時,具有脆性巖石特性,當(dāng)含水率較高時,具有塑性巖石特性,當(dāng)含水率增加1.5%時,抗壓強度降低70%,碳質(zhì)頁巖層理發(fā)育,巖體強度遠遠小于巖石強度,而多數(shù)碳質(zhì)頁巖遇水崩解。根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)研情況,巷道圍巖穩(wěn)定狀況為中等穩(wěn)定和不穩(wěn)定,巷道應(yīng)采用主動支護。具體支護方式為：錨桿+錨索+網(wǎng)+鋼筋梯。

圖1 煤巷錨桿支護設(shè)計技術(shù)路線示意圖

3)支護設(shè)計方案確定。

a)斷面形狀選擇。+90工作面順槽斷面形狀為半圓拱,凈寬為2.8 m,墻高為1.2 m,凈拱半徑為1.4 m。

b)支護參數(shù)確定。利用工程類比法確定,錨桿直徑 d=22 mm,長度為2.2 m,間距0.6 m,排距0.8 m,錨固方式為全長錨固(3個藥卷)。錨索直徑為15.24 mm,有效長度6 m,排距1.6 m,錨固方式為端頭錨固(2個藥卷)。金屬網(wǎng)直徑 3 mm,網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm,網(wǎng)寬為1.0 m。鋼筋梯直徑為10 mm,寬100 mm,規(guī)格見圖2。支護設(shè)計見圖3。

c)施工工藝流程。掘巷 →打眼→掛金屬網(wǎng)→鋼筋梯→打錨桿(錨索)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

在+90工作面回采巷道圍巖表面安設(shè)收斂測量基點及錨桿錨固力動態(tài)監(jiān)測儀,觀測該巷道的表面收斂量及錨桿錨固力這些巷道礦壓顯現(xiàn)的特征值,并對觀測結(jié)果進行分析,以檢驗錨桿這種支護形式在該圍巖條件下的適應(yīng)性,檢驗該支護參數(shù)設(shè)計是否合理,為本礦井以后的支護設(shè)計優(yōu)化提供一定的技術(shù)參考和技術(shù)參數(shù)。本次礦壓觀測的主要內(nèi)容有：巷道表面位移觀測,錨桿錨固力動態(tài)監(jiān)測。

1)觀測斷面的布置及基點安設(shè)原理。

a)觀測斷面布置。在巷道中設(shè)置兩個觀測斷面,在每個觀測斷面處分別安設(shè)表面位移測量基點和錨桿錨固力動態(tài)監(jiān)測儀。觀測斷面間距約10 m,每個觀測斷面距端部約10 m,圖4。

圖4 巷道觀測面布置示意圖

b)觀測基點的安設(shè)及觀測原理。表面位移的測量采用3角形方法進行測量,基點安設(shè)見圖5。

圖5 表面位移觀測點布置示意圖

三角形表面收斂測量原理見圖6：表面收斂點采用收斂計進行測量,觀測時只需量測LAB,LAC和LBC3個值為初讀數(shù)作為日常觀測值。

表面位移量計算方法如下：

收斂測量是測量巷道周邊兩固定點在聯(lián)系方向上的位移變化,所測得的數(shù)值是在兩聯(lián)線方向上位移量之和,為求出每一測點上的位移量的大小,可采用單一閉合三角形法分析解算,見圖6。

圖6 觀察斷面表面收斂計算示意圖

計算方法如下：

在使用此法進行解算時,為便于分析對所設(shè)斷面做如下假設(shè)：

①圍巖變形均發(fā)生在與巷道軸線相垂直的斷面內(nèi);②頂點A處在巷道中心線附近位置,只有豎向位移,認為△AX=0;③幫上兩個測點B、C在同一水平上,兩點的豎向位移量忽略不計,即△BY=△CY=0。

因此,可以求出在測量中所要求出的未知量△AY、△BX和△CX。用收斂計測量出數(shù)據(jù)為：

初始基線長度：LAB,LAC,LBC。

任一時刻基線長度：Lab,Lac,Lbc。

當(dāng) A、B、C三點移動后,所構(gòu)成的三角形 a、b、c仍是閉合的,按照前述假設(shè)有A E⊥BC,且 E點為不動點,它到各點的初始距離分別為 h、XB、XC。根據(jù)勾股定理可以求出：

任一時刻 E點到各點的距離為ha,xb,xc同理,可以求出:

于是各測點的位移:

△A=h-ha

△B=XB-xb

△C=XC-xc

2)觀測數(shù)據(jù)分析。

a)巷道表面位移觀測結(jié)果與分析。通過一段時間的觀測,獲取了表面位移的實測值,經(jīng)計算整理其結(jié)果見表1,據(jù)此也獲得各測點的表面位移變化曲線 ,見圖 7,圖 8。

從觀測計算結(jié)果來看,巷道的收斂量不大,在近一個多月的觀測時間內(nèi),頂板最大下沉量為0.17 mm,兩幫最大收斂量0.28 mm,基本沒有位移。從觀測斷面各點的位移變化曲線來看,巷道掘后頂板和兩幫位移處于不斷的波動之中,但變化不大。說明頂板下沉和兩幫收斂量都較小,從巷道變形方向來看,即有巷道的內(nèi)擠和外移,這可能與施工質(zhì)量有關(guān)(各斷面內(nèi)錨桿的初錨力不同)和巖性差異有關(guān)。

表1 表面位移匯總表

總之,從巷道的表面收斂量來看,該巷道表面收斂量不大,說明該支護方式及支護參數(shù)對巷道變形的控制來講是合理的。

b)錨桿錨固力動態(tài)監(jiān)測儀的安設(shè)及監(jiān)測結(jié)果與分析。為了掌握頂、兩幫的錨桿受力狀況,在每個觀測斷面處于頂和兩幫分別安放錨桿錨固力動態(tài)監(jiān)測儀,隨工作面的推進及時觀測錨固力的變化情況。巷道開挖后,改變了巖體的應(yīng)力狀態(tài),巷道圍巖應(yīng)力將重新分布。錨桿的動態(tài)錨固力變化值反映了圍巖應(yīng)力的變化情況。優(yōu)化的巷道設(shè)計使支護體與圍巖在協(xié)調(diào)變形過程中實現(xiàn)巷道的穩(wěn)定控制,亦即支護體與圍巖之間實現(xiàn)耦合(強度耦合、剛度耦合和結(jié)構(gòu)耦合),防止巷道圍巖出現(xiàn)高應(yīng)力腐蝕部位,最終實現(xiàn)載荷的均勻化。

錨桿錨固力的監(jiān)測結(jié)果與分析見圖9,圖10。

從錨桿錨固力的動態(tài)變化曲線來看,錨桿錨固力也在不斷的波動,但是波動的幅度不大,波動劇烈時間一般在巷道掘后10天之內(nèi),之后也有微小的波動,但是基本趨于穩(wěn)定值。數(shù)值波動說明巷道圍巖變形、應(yīng)力在重新調(diào)整協(xié)調(diào),最終趨于穩(wěn)定。其中有錨固力為零的,這可能是現(xiàn)場施工質(zhì)量差導(dǎo)致了錨桿失效,建議日常加強對錨桿施工質(zhì)量的檢驗。

4 結(jié) 論

從現(xiàn)場實踐及觀測結(jié)果來看,該支護方式及其支護參數(shù)的選擇是合理的,錨桿和錨索的作用得到了充分的發(fā)揮,有效地控制了巷道的變形和頂板離層,實現(xiàn)了工作面的安全回采,取得了較好的經(jīng)濟效益。

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