大斷面切眼桁架錨索支護(hù)技術(shù)研究

劉孟凱,蘭永平,鄒云峰

大綜采大斷面大跨度的切眼支護(hù)是煤礦安全管理一大難題。山西霍寶干河煤礦綜采設(shè)備選用大采高支架,要求其安裝的切眼斷面及跨度相應(yīng)較大。切眼掘進(jìn)支護(hù)效果和成敗,直接關(guān)系到綜采工作面快速、安全安裝,為確保大斷面切眼安全施工,該礦對(duì)桁架錨索支護(hù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察和咨詢,在充分研究與分析該礦巖層條件及錨索技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,確定在8.6 m大跨度切眼施工中,采用錨網(wǎng)梁 +W鋼帶 +桁架錨索 +單體支柱聯(lián)合支護(hù)。

1 2-101掘進(jìn)工作面概況

2-101掘進(jìn)工作面是該礦首采工作面,地面標(biāo)高 +514～+662 m,煤層埋藏深度 420～500 m,走向長(zhǎng) 2 140 m,切眼長(zhǎng)度 208 m,工作面共揭露斷層 23條,其中 4 m以上 8條。受 101副巷 28 m斷層影響,工作面切眼分別布置為151 m和57 m兩個(gè)切眼。2#煤厚4.2 m,基本頂為 4 m厚細(xì)砂巖,直接頂為 5 m厚細(xì)砂巖、泥巖,直接底為 1.4～3.0 m厚粉砂巖;回采面綜采設(shè)備為 ZY9000/25.5/55型掩護(hù)式液壓支架,采煤機(jī)選用MGTY750/1800雙滾筒電牽引,刮板運(yùn)輸機(jī)選SGZ1000/1400型,為滿足切眼支架安裝和膠輪車安裝需要,切眼斷面設(shè)計(jì)毛寬 8.6 m,巷高 3.5 m,切眼兩端各10 m范圍跨度毛寬9.6 m,下端頭布置有膠輪車調(diào)頭硐室及絞車硐室,形成十字交叉大斷面,該處懸頂最大面積達(dá) 186 m2。2-101工作面切眼于 2008年 4月開始施工,工期 60天。

2 桁架錨索支護(hù)作用原理

桁架錨索支護(hù)是一種在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時(shí)提供擠壓應(yīng)力的主動(dòng)支護(hù)形式,它由鋼絞線、專用連接器、鎖具、錨固劑組成,見圖 1。

圖 1 桁架錨索示意圖

其內(nèi)錨固點(diǎn)為巷道兩幫煤巖體的上方深部巖體,與傳統(tǒng)的錨索支護(hù)相比,桁架錨索的支護(hù)機(jī)理發(fā)生了重大改變：1)增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,普通錨索隨頂板變形載荷迅速增加,容易被破壞,而桁架錨索受力隨頂板巖體彎曲,兩幫錨固點(diǎn)內(nèi)移,形成閉鎖結(jié)構(gòu),受力增加緩慢,支護(hù)結(jié)構(gòu)不易失效。2)保證錨固力,普通錨索的錨固點(diǎn)在巷道頂板的正上方,頂板離層后,錨固區(qū)巖石被破壞,使錨固力減弱,而桁架錨索的錨固區(qū)在巷道兩幫上方的深部巖體,處于三向高壓應(yīng)力狀態(tài),錨固區(qū)不易被破壞。3)桁架錨索的支護(hù)機(jī)理和桁架間距密切相關(guān),間距小時(shí),支護(hù)作用以擠壓加固作用為主,而且主要取決于預(yù)應(yīng)力的大小;間距大時(shí),懸吊作用更加突出,可阻止頂板下沉,防止冒頂事故發(fā)生。4)改善錨固區(qū)圍巖應(yīng)力狀態(tài)。錨固區(qū)內(nèi)煤巖層作為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)組合梁,由于錨固區(qū)巖梁是對(duì)稱的,且其彎曲是向下平面彎曲,錨固巖梁中心軸的計(jì)算公式為：

式中：

σ—梁內(nèi)部所受壓 (拉)應(yīng)力;

Mz—梁內(nèi)部所受彎矩;

y—距中性軸的距離;

Iz—錨固區(qū)巖層組合梁的慣性矩;

ζσmy—錨索拉應(yīng)力在錨固區(qū)巖梁的水平分力。

其中,

式中：

α—錨索的水平傾角。

由式 (2)可知,錨固區(qū)組合巖梁的中性軸下降了ζσmyIz/Mz。中性軸下移而使大部分錨固區(qū)巖體處于壓應(yīng)力狀態(tài),保證了圍巖的穩(wěn)定性。

3 101綜采切眼大斷面支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)材料的確定

1)為提高桁架錨索支護(hù)強(qiáng)度,該礦選用了 d 17.8大直徑鋼絞線。

2)在以往采用 d22 m×2.5 m高強(qiáng)錨桿基礎(chǔ)上,為增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和減小直接頂變形,對(duì)以往鋼筋梯子錨梁變?yōu)閃鋼帶。

3)考慮頂板壓力大,為加強(qiáng)掘進(jìn)迎頭的臨時(shí)支護(hù),防止頂板離層,刷擴(kuò)前在切眼斷面偏中超前支設(shè)一排單體支柱,并“穿鞋戴帽”,間距 1.6 m/根。

3.2 切眼支護(hù)形式及參數(shù)

頂板采用錨桿 —網(wǎng) —W鋼帶 —桁架錨索 —單體支柱聯(lián)合支護(hù)。

1)切巷掘進(jìn)時(shí),頂錨桿采用規(guī)格為 d22 mm ×2 500 mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿“七、七”矩形布置,間排距為 800 mm ×800 mm,每根錨桿配 Z2388型和 CK2340型錨固劑各 1條,頂板角錨桿與鉛垂線成15°夾角,其余錨桿角度與頂垂直布置。W型鋼帶規(guī)格為 5 000 mm ×220 mm ×30 mm(長(zhǎng) ×寬 ×高 )。桁架錨索與單體錨索成“三、三”交替布置,錨索排距1.6 m。桁架錨索規(guī)格為 d17.8 m ×11.4 m,單體錨索規(guī)格為 d17.8 m ×10.3 m?？咨?10 m,每眼配 CK2340型錨固劑 1條和 Z2388型錨固劑 4條。

2)切巷擴(kuò)刷時(shí),頂錨桿采用 d22×2 5 00mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿“五、五”矩形布置,間、排距為 800 mm×800 mm,W型鋼帶規(guī)格為3.5 mm×220 mm×30 mm(長(zhǎng) ×寬 ×高)。桁架錨索與單體錨索成“三、三”交替布置,錨索排距 1.6 m,見圖 2。

圖 2 2-101三切巷斷面圖

3.3 巷幫支護(hù)

巷道掘進(jìn)時(shí),煤柱側(cè)幫部支護(hù)采用錨網(wǎng)鋼筋梯子梁支護(hù),錨桿規(guī)格為 d22 mm ×2 500 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿,每排 4根錨桿,間、排距為 950 mm ×800 mm。鋼筋梯子梁采用 d14 mm鋼筋焊接而成,長(zhǎng)度2.95 m;刷擴(kuò)側(cè)的煤幫采用 d14.6 mm×1 600 mm普通端錨桿配合木托板支護(hù),錨桿間排距 1 000 mm ×800 mm,每排布置 3根錨桿,切眼擴(kuò)刷施工時(shí),對(duì)端錨桿進(jìn)行回收。

切巷擴(kuò)刷煤壁側(cè)的支護(hù),考慮到回采割煤時(shí)高強(qiáng)錨桿對(duì)采煤機(jī)損壞,故采用 2.0 m玻璃鋼錨桿,錨桿間排距 950 mm ×800 mm,每排布置 4根。

4 切眼施工工藝及技術(shù)要點(diǎn)

4.1 掘進(jìn)工藝

2-101切眼設(shè)計(jì)斷面 30.1 m2,采用先小斷面掘進(jìn) (寬 5 m),施工到位后,再擴(kuò)刷達(dá)到設(shè)計(jì) 8.6 m寬,掘進(jìn)開口 30 m采用爆破落煤,40 t溜子運(yùn)輸,30 m后采用綜掘機(jī)掘進(jìn)。

4.2 技術(shù)要點(diǎn)

1)頂錨桿初錨力不小于 200 N·m,幫錨桿初錨力不小于 180 N·m,高強(qiáng)錨桿錨固力不低于 120 kN,錨索預(yù)緊力不低于 30 MPa。錨桿、錨索有失效或不合格的,必須及時(shí)補(bǔ)打。2)錨桿、錨索安裝質(zhì)量必須符合設(shè)計(jì)要求,尤其是錨索安裝角度。3)必須采用隨掘隨錨的循環(huán)作業(yè)方式,盡量減少空頂時(shí)間。4)切巷頂板位于巷中的錨桿采用雙螺母緊固,提高緊固強(qiáng)度。

4.3 支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)

由于切眼大斷面施工在干河礦尚為首次,為保證施工質(zhì)量,在施工期間對(duì)錨桿、錨索施工質(zhì)量進(jìn)行全面指導(dǎo)、檢查,并安設(shè)檢測(cè)儀器對(duì)頂板變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析,隨時(shí)掌握頂板變化和支護(hù)效果,工作面共布置離層儀 5組,液壓枕 5組。頂板監(jiān)測(cè)從 4月 17日切眼施工開始,到 6月 30日綜采開始安裝,期間礦壓顯現(xiàn)變化作出如下分析。

1)巷道刷擴(kuò)對(duì)頂板影響較大,刷擴(kuò)點(diǎn)過后 5日內(nèi)頂板深部離層明顯,一般為 7.2 mm/d,過后 6～12日為 2.1 mm/d,12日以后趨于穩(wěn)定,見圖 3。

圖 3 離層儀趨勢(shì)圖

2)開口 40 m巷道施工時(shí),由于桁架錨索聯(lián)接器貨源問題,頂板采用了單體錨索,該區(qū)段頂板受壓變形較大,充分說明了桁架錨索在大跨度支護(hù)上的優(yōu)越性。

3)液壓枕壓力變化,顯現(xiàn)明顯,平均值增加 10 MPa。刷擴(kuò)期間液壓枕觀測(cè)數(shù)據(jù)反映的結(jié)果基本與離層變化一致。

5 效益分析

1)2-101大采高綜采工作面切眼采用桁架錨索支護(hù)試驗(yàn)為該礦大斷面復(fù)合型頂板巷道或相似條件下巷道的圍巖控制提供了大量的科學(xué)依據(jù),避免了支護(hù)設(shè)計(jì)中的盲目性,增加了巷道支護(hù)的可靠性,保證了施工質(zhì)量,解決了困擾礦井大斷面支護(hù)的難題。

2)2-101工作面為干河煤礦首采工作面,工期緊、任務(wù)重,大斷面桁架錨索支護(hù)技術(shù)在首采面的成功應(yīng)用,較好地控制了頂板的位移量,消除了頂板事故,減少了巷道維修工程,為工人施工及后期的安裝工程提供了安全便利的工作條件,保證了礦井按期投產(chǎn)。

6 結(jié) 論

綜上所述,在大斷面切眼施工中,采用錨桿 —W鋼帶 —桁架錨索 —單體支柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù),取得了良好經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益,巷道頂板離層量小,控制在了安全范圍內(nèi),給大斷面巷道支護(hù)提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在今后同等條件的大斷面施工中值得推廣使用。