基于頂板結(jié)構(gòu)分類的錨桿參數(shù)動態(tài)設(shè)計方法＊

劉洪濤 馬念杰 袁聚良 石建軍 馮吉成 范彥陽

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

我國煤礦巷道錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計多應(yīng)用工程類比法,一條巷道乃至一個采區(qū)(盤區(qū))的巷道都采用同一支護(hù)參數(shù)。但煤礦井下圍巖條件復(fù)雜多變,有的巷道在幾百米長的范圍內(nèi)頂板巖層組合形式就多達(dá)5種(見圖1),以一種支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于幾千米長的巷道,不僅會造成巷道在很大范圍內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度過剩,局部區(qū)域還會出現(xiàn)支護(hù)強(qiáng)度不足,存在著冒頂?shù)碾[患。本文以現(xiàn)場應(yīng)用為基礎(chǔ),以頂板結(jié)構(gòu)探測儀為基本探測儀器,以頂板結(jié)構(gòu)分類結(jié)果為依據(jù),對礦區(qū)或單一巷道進(jìn)行動態(tài)支護(hù)技術(shù)研究。所謂“動態(tài)”設(shè)計方法,指根據(jù)頂板探測、分類結(jié)果,對錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計進(jìn)行改變,不同類型的頂板采用不同的支護(hù)參數(shù),既節(jié)約了支護(hù)成本,也減小了冒頂事故發(fā)生的幾率。頂板分類結(jié)果隨巷道的掘進(jìn)、頂板探測密度和數(shù)量的加大而逐步細(xì)化,直接決定最終支護(hù)參數(shù)的確定。

圖1 一條巷道內(nèi)的5種頂板巖層組合

1 煤巷頂板結(jié)構(gòu)探測

由于巷道頂板事故多數(shù)是由巖層組合劣化引起的,冒頂部分頂板圍巖與其它穩(wěn)定區(qū)域的圍巖條件不同,一般不屬于同一類別,在這種不同類別的頂板中使用相同的錨桿支護(hù)參數(shù)必然造成一方面支護(hù)強(qiáng)度過剩(占60%以上),另一方面支護(hù)強(qiáng)度不足(萬分之五)。因此在進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計時,能否找出頂板易冒頂隱患區(qū)域(劣化區(qū)域),直接影響最終支護(hù)效果。采用頂板結(jié)構(gòu)探測儀,可很好地解決這一問題。

巖石特性與錨桿鉆機(jī)鉆孔時的鉆進(jìn)速度V、轉(zhuǎn)速N和推力T密切相關(guān),鉆進(jìn)速度V、轉(zhuǎn)速N和推力T與巖層特性綜合指標(biāo)R之間可以用函數(shù)R=f(V,T,N)表示。因此,可以通過密集、連續(xù)和高精度的同步檢測錨桿鉆機(jī)鉆孔時的鉆進(jìn)速度V、轉(zhuǎn)速N和推力T來分析判斷頂板不同位置的巖性,從而發(fā)現(xiàn)冒頂隱患。將頂板結(jié)構(gòu)探測儀安裝在錨桿鉆機(jī)上,利用錨桿鉆機(jī)鉆孔這一施工過程,每0.8～1.0 m對頂板地質(zhì)情況逐一查明,將巷道劃分為若干區(qū)域,將利用頂板巖層結(jié)構(gòu)探測儀測得的頂板巖層參數(shù)進(jìn)行分類(每個區(qū)域的范圍可以達(dá)到足夠小),由此發(fā)現(xiàn)易冒頂頂板隱患,確定其頂板結(jié)構(gòu)類型,從而及時地改變錨桿支護(hù)參數(shù)或進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析,觀測結(jié)果與巖芯的實(shí)測值間的吻合率達(dá)95%。頂板鉆孔巖芯及其與鉆速、推力、轉(zhuǎn)速的關(guān)系對照圖如圖2所示。

圖2 頂板鉆孔巖芯及其與鉆速、推力、轉(zhuǎn)速的關(guān)系對照圖

2 頂板巖層結(jié)構(gòu)分類

目前,國內(nèi)外巷道圍巖穩(wěn)定性分類方法較多,歸納起來分為兩大類,即靜態(tài)巷道圍巖穩(wěn)定性分類和動態(tài)巷道圍巖穩(wěn)定性分類。但存在一個共性的問題為:分類指標(biāo)為靜態(tài)指標(biāo),這些指標(biāo)在巷道的局部區(qū)域取得,獲取數(shù)量有限。所以,這樣的分類針對性不強(qiáng)。

而利用錨桿(索)鉆機(jī)鉆孔支護(hù)這一過程,緊跟掘進(jìn)頭進(jìn)行頂板結(jié)構(gòu)探測,及時掌握頂板巖層結(jié)構(gòu)的變化情況,使頂板巖層結(jié)構(gòu)判別指標(biāo)具有及時性和動態(tài)性。以堅硬巖層距頂板的距離、堅硬巖層的穩(wěn)定跨距和巷道跨度3個參數(shù)作為頂板穩(wěn)定分類的指標(biāo),并按頂板穩(wěn)定性的程度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ種類別,不同類別的頂板采用不同的設(shè)計支護(hù)方法。

在進(jìn)行單一巖層穩(wěn)定性分析時,可將巖層簡化為單一的梁,對其進(jìn)行穩(wěn)定跨距、承載能力的計算,但在現(xiàn)實(shí)條件中頂板的巖層往往不是一個連續(xù)的梁結(jié)構(gòu),被節(jié)理、裂隙切割或已經(jīng)斷裂為若干塊,這時頂板巖層形成塊體梁的結(jié)構(gòu),斷裂但未垮落,仍有一定的承載能力,因此可對頂板范圍內(nèi)任一巖層進(jìn)行穩(wěn)定性研究。按照塊體梁計算巖層的穩(wěn)定跨距:

式中:L1——巖層的穩(wěn)定跨距;

Rt——巖層抗拉強(qiáng)度極限;

f強(qiáng)、f采、f埋、f地應(yīng)力——為巖石強(qiáng)度影響系數(shù)、采動影響系數(shù)、巖層埋深影響系數(shù)和地應(yīng)力影響系數(shù);

h——巖層厚度;

qnx——頂板巖層對第x層巖層施加的載荷。

根據(jù)現(xiàn)場具體數(shù)據(jù)、頂板巖層探測結(jié)果及公式(1),可以判斷出頂板穩(wěn)定巖層位置、承載能力與性質(zhì)。

因此,通過穩(wěn)定跨距計算可以確定該巖層是否穩(wěn)定以及距頂板的距離,進(jìn)而根據(jù)穩(wěn)定巖層位置對頂板巖層結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行分類。不同類別距離分界線根據(jù)礦區(qū)具體條件而定。

如神東礦區(qū),使用的錨桿長度大部分在1.6～2 m,錨索長度為6～8 m,因此根據(jù)穩(wěn)定巖層確定頂板類別時,其距離分界線為2 m、4 m、6 m。根據(jù)煤礦精查階段的鉆孔地質(zhì)資料,可以初步確定該礦范圍內(nèi)頂板結(jié)構(gòu)類型,隨著頂板探測工作的進(jìn)行,頂板鉆孔的密度不斷增加,及時修正、補(bǔ)充頂板結(jié)構(gòu)分類結(jié)果,使其更接近現(xiàn)場實(shí)際情況。

巷道采用錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)時,錨索的單根安裝造價約為錨桿的10～15倍,如采用合理的錨桿支護(hù)參數(shù),能盡量少用或不用錨索,則巷道的支護(hù)費(fèi)用會大大降低,為煤礦帶來可觀的收益,因此在進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計時,根據(jù)頂板類型的不同,依次選用圓鋼錨桿(端錨)、螺紋鋼錨桿(加長錨或全長錨)、圓鋼錨桿+錨索、螺紋鋼錨桿+錨索的支護(hù)形式。根據(jù)頂板巖層穩(wěn)定性分析結(jié)果,可以得出不同巖層組合時頂板的結(jié)構(gòu)類型,并根據(jù)巷道中頂板類型的變化及時改變錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計。

(1)Ⅰ類頂板。穩(wěn)定頂板,距頂板2 m范圍內(nèi)有穩(wěn)定巖層。在錨桿錨固的范圍內(nèi)存在穩(wěn)定巖層,則直接采用懸吊理論對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,支護(hù)形式采用圓鋼端錨錨桿,如圖3(a)所示。

圖3 不同頂板結(jié)構(gòu)類型支護(hù)示意圖

(2)Ⅱ類頂板。中等穩(wěn)定,距頂板2～4 m范圍內(nèi)有穩(wěn)定巖層;Ⅲ類頂板,不穩(wěn)定,距頂板4～6 m范圍內(nèi)有穩(wěn)定巖層,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況的不同,Ⅲ類還可分為Ⅲ-1類和Ⅲ-2類。在錨桿錨固范圍內(nèi)不存在穩(wěn)定巖層,但在錨索的錨固范圍內(nèi)有穩(wěn)定巖層,這時可采用圓鋼錨桿+錨索的形式進(jìn)行支護(hù);也可以采用單一的螺紋鋼錨桿(加長錨或全長錨),以錨固串的穩(wěn)定機(jī)理為依據(jù),進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計,如圖3(b)所示。

(3)Ⅳ類頂板。極不穩(wěn)定,在距頂板6 m范圍內(nèi)沒有穩(wěn)定巖層。在錨桿與錨索的錨固范圍內(nèi)均不存在穩(wěn)定巖層,可采用螺紋鋼錨桿(加長錨或全長錨)+錨索的支護(hù)方式,形成由錨固串構(gòu)成的承載結(jié)構(gòu);也可以采用其它支護(hù)型式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),如圖3(c)所示。

3 錨桿支護(hù)參數(shù)動態(tài)設(shè)計方法

以某礦的頂板結(jié)構(gòu)分類結(jié)果為例來說明動態(tài)設(shè)計方法的應(yīng)用,如圖4所示,圖中不同線條區(qū)域代表不同類型的頂板。

由分類結(jié)果可以看出,該礦的頂板巖層組合較為復(fù)雜,包括了各種類型的頂板,井田東部(圖右側(cè))以Ⅰ、Ⅱ類頂板為主,頂板結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,中部則以Ⅲ類頂板為主,少部分區(qū)域?qū)儆冖纛愴敯?頂板穩(wěn)定性差,西部大部分區(qū)域以穩(wěn)定類型為主,向中部靠近逐步發(fā)展為中等穩(wěn)定類型。圖中左側(cè)與右側(cè)巷道已掘出或正在開采,中部大部區(qū)域尚在規(guī)劃期。根據(jù)分類結(jié)果可對已掘巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行評價,對未掘進(jìn)的巷道按類型進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計。

圖4 某礦頂板結(jié)構(gòu)類型分布圖

可將該礦原使用的錨桿支護(hù)參數(shù)與采用動態(tài)設(shè)計方法優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行比較,巷道尺寸高3.8 m,寬5.4 m。支護(hù)參數(shù)比較見表1。

原方案采用單一的參數(shù)設(shè)計,不能適應(yīng)地質(zhì)條件的變化,大多數(shù)區(qū)域支護(hù)過剩,浪費(fèi)大量的錨索,采用原方案支護(hù)至Ⅳ類區(qū)域時,支護(hù)強(qiáng)度不足,有冒頂?shù)奈ｋU。采用動態(tài)設(shè)計方法時,頂板處于Ⅰ、Ⅱ類區(qū)域時,基本取消錨索,不需要二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),Ⅲ、Ⅳ類頂板錨索優(yōu)化為每排兩根,取消巷道中部錨索,使錨桿-錨索系統(tǒng)協(xié)調(diào)變形,防止錨索因延伸量不足而發(fā)生破斷進(jìn)而破壞整個支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對試驗(yàn)巷道的支護(hù)效果監(jiān)測,動態(tài)設(shè)計后的參數(shù)滿足現(xiàn)場實(shí)際需求。

表1 支護(hù)參數(shù)比較表

根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)類型分布圖,可以進(jìn)行如下應(yīng)用:

(1)對于已掘進(jìn)好的巷道,可以根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)類型分布圖對本條巷道現(xiàn)有的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行評價,及時地發(fā)現(xiàn)支護(hù)強(qiáng)度不足之處,對于現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度小于頂板所處類型所需最小支護(hù)強(qiáng)度時,要及時采取措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或加強(qiáng)支護(hù)。

(2)對于尚未掘進(jìn)、未布置工作面的區(qū)域,可以在掘進(jìn)前就根據(jù)頂板類型設(shè)計出支護(hù)參數(shù),針對不同類型頂板設(shè)計出相應(yīng)合理的支護(hù)參數(shù),便于煤礦提前合理地安排生產(chǎn),使支護(hù)設(shè)計真正做到安全合理。

(3)進(jìn)行巷道掘進(jìn)施工時,施工進(jìn)行到兩種類型頂板相交叉、變換的區(qū)域時,可提前做好準(zhǔn)備。巷道頂板結(jié)構(gòu)變好時,可相應(yīng)地降低支護(hù)強(qiáng)度,節(jié)約人力物力;頂板結(jié)構(gòu)變劣時,增加支護(hù)強(qiáng)度,降低冒頂事故發(fā)生的概率,保證工作面安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

頂板錨桿支護(hù)參數(shù)動態(tài)設(shè)計方法,可有效地解決我國煤礦巷道當(dāng)前普遍存在的多數(shù)區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度過剩、局部區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度不足的問題,既可以節(jié)約支護(hù)成本、降低冒頂事故發(fā)生的概率,還可以保證礦井的安全生產(chǎn)和快速掘進(jìn),有著很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。因其在應(yīng)用時以頂板分類結(jié)果為依據(jù),所以在很大程度上受頂板結(jié)構(gòu)探測密度、精確度的影響,因此有必要進(jìn)一步優(yōu)化頂板結(jié)構(gòu)探測儀的性能,使探測結(jié)果更精確地反映現(xiàn)場的實(shí)際情況。

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