古書院礦十五號(hào)煤層錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

鄭劍飛,郭相平

(1.晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司古書院礦,山西晉城 048205;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

古書院礦十五號(hào)煤層錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

鄭劍飛1,郭相平2

(1.晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司古書院礦,山西晉城 048205;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

Opt im ization of Anchored Bolt Supporting Design for 15th Coal Seam in Gushuyuan Colliery

針對(duì)古書院礦十五號(hào)煤頂板巖性為堅(jiān)硬灰?guī)r的條件,對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,加大了錨桿錨索的預(yù)緊力,放大了間排距,大幅提高了巷道掘進(jìn)速度,節(jié)約了支護(hù)成本。

堅(jiān)硬頂板;錨桿支護(hù);優(yōu)化

研究表明,當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí),可以減緩巷道頂板下沉和巷幫收縮。調(diào)查分析大量巷道冒頂事故發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致冒頂事故發(fā)生的原因除了錨桿強(qiáng)度和支護(hù)密度不夠外,更重要的原因是錨桿的預(yù)應(yīng)力不夠,導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)初期就出現(xiàn)大量的新的裂隙和圍巖變形。而增加錨桿預(yù)應(yīng)力則可以適當(dāng)?shù)胤糯箦^桿間排距,降低錨桿支護(hù)的成本。

1 巷道地質(zhì)條件

試驗(yàn)巷道為古書院礦 15號(hào)煤 3條盤區(qū)大巷,沿煤層頂板掘進(jìn),部分區(qū)域需要破底。15號(hào)煤層位于太原組下部,上距 9號(hào)煤層 28m左右,煤厚0.81～3.56m,平均 1.98m。局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,夾矸最多達(dá) 5層,厚度多在 0.50m以下。該煤層全區(qū)可采,屬穩(wěn)定煤層。

15號(hào)煤層直接頂板為 K2石灰?guī)r,厚 7.54～11.38m,平均 9.0m左右,單向抗壓強(qiáng)度 53.6～212.9MPa,平均 101.6MPa;單向抗拉強(qiáng)度 2.2～6.1MPa,平均 4.0MPa,抗剪強(qiáng)度 5.7～16.0MPa,平均 13.2MPa,屬堅(jiān)硬型頂板。

直接底板為泥巖,平均厚度約 2.75m,其下部為本溪組的鋁土泥巖,平均厚度約 4.25m,屬軟弱型。單向抗壓強(qiáng)度 12.1～58.4 MPa,平均 28.3 MPa;單向抗拉強(qiáng)度 0.7～2.0 MPa,平均 1.4MPa;抗剪強(qiáng)度 1.9～6.6 MPa,平均 4.2MPa。

古書院礦 15號(hào)煤盤區(qū)進(jìn)行了 3個(gè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)試,3個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大水平主應(yīng)力σH最大為9.45MPa,最小為 7.11MPa,3個(gè)測(cè)站側(cè)壓系數(shù)σH/σV分別為 1.69,1.21,1.65,側(cè)壓系數(shù)均大于1,以水平應(yīng)力為主,屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型。3個(gè)測(cè)站最大水平主應(yīng)力方向位于:N33.1°E,N10.9° E,N77.5°E,最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|方向。古書院礦盤區(qū)膠帶巷掘進(jìn)斷面為 13.52m2,掘進(jìn)寬度為 5.2m,掘進(jìn)高度為 2.6m。

2 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法

大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,單獨(dú)采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復(fù)雜性和多變性的特點(diǎn),因而達(dá)不到理想的設(shè)計(jì)效果。只有采用包括試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)和信息反饋、修正設(shè)計(jì)和日常監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法,才是符合井下巷道圍巖特性的科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。其中試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查包括圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及錨固性能測(cè)試等內(nèi)容,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評(píng)估和圍巖分類,為初始設(shè)計(jì)提供可靠的參數(shù)。采用數(shù)值計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合的方法進(jìn)行,根據(jù)圍巖參數(shù)和已有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),確定出比較合理的初始設(shè)計(jì)。然后將初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下,并進(jìn)行詳細(xì)的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證或修正初始設(shè)計(jì)。正常施工后還要進(jìn)行日常監(jiān)測(cè),保證巷道安全。

3 原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

頂板采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,長(zhǎng)度 2000mm, <18mm,桿尾螺紋M20。采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固,1支Z2360和 1支 K2335,錨固長(zhǎng)度為 1100mm。錨桿之間采用鋼筋托梁組合,頂板破碎時(shí)鋪金屬網(wǎng)。錨桿排距 1200mm,每排 5根錨桿,間距 1100mm。在巷道中部施工 1根 <15.24mm、長(zhǎng)度為 5300mm的錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),排距為 2400mm,采用 1支K2335和 2支 Z2360的錨固劑進(jìn)行錨固,錨固長(zhǎng)度為1480mm。

巷幫采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,直徑為 <18mm,桿尾螺紋M20,長(zhǎng)度 2000mm。采用 1支 Z2360的錨固劑進(jìn)行錨固。錨桿之間采用鋼筋托梁組合,巷幫掛金屬網(wǎng)。錨桿排距 1200mm,每排 3根錨桿,間距 1000mm。錨桿預(yù)緊扭矩 100N·m,錨索預(yù)緊力為 100kN(圖 1所示)。

圖1 盤區(qū)膠帶巷原錨桿支護(hù)布置

4 優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)

15號(hào)煤層頂板為堅(jiān)硬的石灰?guī)r,非常穩(wěn)定。原支護(hù)設(shè)計(jì)中,每排 (頂和幫)需安裝 11根錨桿,施工慢,嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)速度。強(qiáng)力支護(hù)理論認(rèn)為:可以通過(guò)提高支護(hù)系統(tǒng)的剛度來(lái)降低支護(hù)系統(tǒng)的密度。試驗(yàn)證明,當(dāng)錨桿的預(yù)緊扭矩為100～150N·m時(shí),實(shí)際提供的錨桿預(yù)緊力為 15～20kN,而當(dāng)錨桿預(yù)緊扭矩達(dá)到 300N·m時(shí),錨桿預(yù)緊力可達(dá)到 50kN,為 <18mm高強(qiáng)錨桿破斷力的1/3,滿足強(qiáng)力支護(hù)理論的要求。因此,在保證巷道安全的前提下,對(duì)古書院礦 15號(hào)煤盤區(qū)巷道支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化方案如圖 2所示。

圖 2 盤區(qū)膠帶巷錨桿支護(hù)優(yōu)化布置

頂板采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,長(zhǎng)度 2000mm, <18mm,桿尾螺紋M20。采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固,1支Z2360和 1支 K2335,錨固長(zhǎng)度 1100mm。錨桿之間采用鋼筋托梁組合,頂板破碎時(shí)鋪金屬網(wǎng)。錨桿排距 1600mm,每排 4根錨桿,間距 1500mm。在巷道中部施工 1根 <15.24mm、長(zhǎng)度為 5300mm的錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),排距 4800mm,采用 1支 K2335和2支 Z2360的錨固劑進(jìn)行錨固,錨固長(zhǎng)度為1480mm。

巷幫采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,長(zhǎng)度 2000mm, <18mm,桿尾螺紋M20。采用1支 Z2360的錨固劑進(jìn)行錨固。錨桿之間采用鋼筋托梁組合,巷幫掛金屬網(wǎng)。錨桿排距 1600mm,每排 2根錨桿,間距1600mm。錨桿預(yù)緊扭矩 300N·m,錨索預(yù)緊力為120kN。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

為了驗(yàn)證支護(hù)效果,在巷道中布設(shè)了多處表面位移測(cè)站,所測(cè)數(shù)據(jù)顯示,運(yùn)輸巷兩幫移近量最大為 12mm,兩幫煤體在支護(hù)系統(tǒng)的作用下,煤體變形得到了有效控制,頂板基本上沒(méi)有變形。測(cè)站在距掘進(jìn)迎頭 40m左右穩(wěn)定,說(shuō)明巷道優(yōu)化支護(hù)方案很好地控制了巷道圍巖的穩(wěn)定,充分發(fā)揮了錨桿支護(hù)的主動(dòng)性,支護(hù)設(shè)計(jì)是科學(xué)的、合理的。

原支護(hù)方式材料消耗為 472.5元/m,優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)后為 255.63元/m,每米巷道可直接節(jié)省216.88元,節(jié)約成本 45.9%。采用原來(lái)支護(hù)方式作業(yè),平均每月掘進(jìn)進(jìn)尺約 360m,放大間排距后,平均每月可掘進(jìn)巷道 480m,掘進(jìn)速度比原來(lái)提高33.3%。

6 結(jié)論

(1)基于準(zhǔn)確掌握地應(yīng)力大小及方向情況下的設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確、合理,放大了錨桿間排距,加快了成巷速度,節(jié)約了成本。

(2)通過(guò)增大預(yù)緊力,提高整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的剛度,有效控制了巷道圍巖的變形,顯著提高了巷道支護(hù)的可靠性。

(3)放大了錨桿的間排距,大大提高了巷道掘進(jìn)速度,有利于礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。

(4)放大間、排距后,支護(hù)材料大大減少,能節(jié)省運(yùn)輸及其他輔助成本,為企業(yè)增收節(jié)支創(chuàng)造有利條件。

[1]康紅普 .我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)新進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(S):1986-1990.

[2]康紅普,王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[3]林 健,康紅普 .螺紋鋼樹(shù)脂錨桿的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì) [J].煤礦開(kāi)采,2009,14(4):1-4.

[4]康紅普,姜鐵明,高富強(qiáng) .預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用 [J] .煤炭學(xué)報(bào),2007,32(7):673-678.

[責(zé)任編輯:林 健]

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1006-6225(2010)06-0044-02

2010-05-25

鄭劍飛 (1974-),男,山西澤州人,工程師,現(xiàn)任古書院礦技術(shù)管理部副部長(zhǎng)。