趙莊煤礦受采動(dòng)影響巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

趙建國(guó)

(晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西長(zhǎng)子 046605)

趙莊煤礦受采動(dòng)影響巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

趙建國(guó)

(晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西長(zhǎng)子 046605)

趙莊煤礦 33014巷是二次復(fù)用巷道,斷面大,受采動(dòng)影響嚴(yán)重。根據(jù)巷道圍巖條件,在“一次支護(hù)原則”、“三高一低”原則以及相互匹配、可操作性和經(jīng)濟(jì)性原則基礎(chǔ)上,確定錨桿支護(hù)各參數(shù),頂板采用預(yù)緊力全錨索支護(hù),巷幫采用錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。通過大量觀測(cè)顯示,頂板下沉量最大 120mm,兩幫移近量最大 500mm,完全滿足 3301工作面回采使用要求。

采動(dòng)影響;錨桿支護(hù);支護(hù)設(shè)計(jì);預(yù)應(yīng)力

Research on Supporting Technology of Roadway Influenced by Mining in Zhaozhuang Colliery

1 巷道基本條件

33014巷是趙莊煤礦二次復(fù)用巷道,首先是3301工作面的進(jìn)風(fēng)巷,同時(shí)作為留巷又要為下一個(gè)工作面服務(wù),將作為 3302工作面的回風(fēng)巷,受采動(dòng)影響程度大。

巷道斷面為矩形,掘進(jìn)寬度 5000mm,高度4200mm,掘進(jìn)斷面積 21m2,凈寬 4800mm,凈高4100mm,凈斷面 19.68m2。

33014巷所在 3號(hào)煤層平均厚度 4.85m,傾角為 1～8°,平均傾角 5°,直接頂中,砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度在 26.4～35.2MPa,細(xì)粒砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為 73.2MPa。3號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r見表 1。

表1 3號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r

2 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)多年的科學(xué)研究及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為錨桿支護(hù)應(yīng)遵循以下基本原則：一次支護(hù)原則、高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則;“三高一低”原則,即高強(qiáng)度、高剛度、高預(yù)緊力與低支護(hù)密度原則,此外還有臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則、相互匹配原則、可操作性原則、經(jīng)濟(jì)性原則。

在以上原則的基礎(chǔ)上,錨桿支護(hù)參數(shù)主要包括：種類、幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、密度 (間、排距)、安裝角度、鉆孔直徑、錨固方式和錨固長(zhǎng)度、預(yù)緊力矩或預(yù)應(yīng)力、鋼帶型式、規(guī)格和強(qiáng)度、金屬網(wǎng)形式、規(guī)格和強(qiáng)度。

2.1 錨桿幾何參數(shù)

(1)錨桿直徑 錨桿直徑的選取從技術(shù)上主要考慮兩方面的因素：

其一,錨固劑的錨固效果。對(duì)于螺紋鋼錨桿,鉆孔直徑與桿體直徑之差應(yīng)控制在 10mm范圍之內(nèi)才能保證錨固效果,以 6～8mm為最佳 (同時(shí)考慮錨固效果與施工難易程度)。對(duì)于 φ28mm的鉆孔,錨桿的最小直徑不能小于 18mm,較為合理的錨桿為 φ20mm,φ22mm;對(duì)于 φ25mm的錨桿,鉆孔直徑應(yīng)在 30～35mm之間。

其二,錨桿桿體強(qiáng)度。在錨桿桿體材質(zhì)相同的情況下,直徑越大,其強(qiáng)度越高。

圍巖比較破碎、應(yīng)力較大的巷道,一般選用直徑較大的錨桿;反之,頂板比較完整、整體變形量較小的巷道宜選用直徑較小的錨桿。

深部及復(fù)雜條件下巷道地應(yīng)力高、圍巖比較松軟,還要受到二次動(dòng)壓影響,屬于復(fù)雜困難巷道條件,應(yīng)選取強(qiáng)度大、直徑大的錨桿。

針對(duì)趙莊礦具體條件,錨桿選擇 φ22mm,錨索選擇 φ22mm。

(2)錨桿長(zhǎng)度 合理的錨桿長(zhǎng)度應(yīng)包括錨固于穩(wěn)定承載巖層中的長(zhǎng)度、不能自身穩(wěn)定巖 (分)層厚度之和以及外露段長(zhǎng)度,錨桿長(zhǎng)度應(yīng)不小于：

式中,l為錨桿長(zhǎng)度;lw為錨固于穩(wěn)定、承載巖(分)層的長(zhǎng)度;為錨固范圍內(nèi)有穩(wěn)定巖層時(shí),為不穩(wěn)定巖 (分)層厚度之和;無穩(wěn)定巖層時(shí),為形成穩(wěn)定的塊體梁所需的巖層厚度;lz為外露段長(zhǎng)度。

深部及復(fù)雜條件下巷道,圍巖壓力大,變形破壞范圍較大,在設(shè)計(jì)中一般采用較高的預(yù)應(yīng)力,因此一般選則較長(zhǎng)的錨桿。

在趙莊煤礦 33104巷做了頂板窺視工作得出：在 0.5～2.1m處煤體節(jié)理、裂隙比較發(fā)育,煤體完整性較差;在頂板 3.4m處存在軟弱夾層,3.3m與 6.0m處存在裂隙,節(jié)理、裂隙及軟弱夾層的存在極大削弱了頂板的強(qiáng)度,在支護(hù)設(shè)計(jì)中,應(yīng)選擇合理的錨索長(zhǎng)度。

因此,對(duì)于趙莊煤礦支護(hù)設(shè)計(jì)頂板全部采用5400mm長(zhǎng)的錨索,巷幫采用 2400mm長(zhǎng)的錨桿,并且用 5400mm長(zhǎng)的錨索加強(qiáng)支護(hù)。

2.2 錨桿力學(xué)參數(shù)

錨桿力學(xué)參數(shù)包括桿體的屈服強(qiáng)度、拉斷強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和延伸率等。

傳統(tǒng)的錨桿桿體材料主要是 Q235圓鋼和20MnSi建筑螺紋鋼。Q235圓鋼的屈服強(qiáng)度僅為235MPa,拉斷強(qiáng)度為 380MPa;20MnSi建筑螺紋鋼屈服強(qiáng)度為 335MPa,拉斷強(qiáng)度為 510MPa,均屬于低強(qiáng)度錨桿材料。為了滿足巷道支護(hù)的要求,又開發(fā)了錨桿專用螺紋鋼,并形成系列,屈服強(qiáng)度分別達(dá)到 400MPa,500MPa,600MPa以上,最大拉斷強(qiáng)度超過 800MPa,真正實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度。

對(duì)于選取錨桿力學(xué)參數(shù),一般遵循以下原則：

(1)優(yōu)先選取高強(qiáng)度錨桿,以提高巷道支護(hù)效果,保證巷道安全。

(2)錨桿桿體強(qiáng)度應(yīng)與施加的預(yù)應(yīng)力相匹配。錨桿強(qiáng)度選擇與控制巷道圍巖離層、滑動(dòng)等所需要的預(yù)應(yīng)力相匹配,不僅顯著增加巷道支護(hù)的效果,還能降低單位面積上錨桿的支護(hù)密度,有利于快速掘進(jìn)巷道。

趙莊煤礦 33104巷直接頂以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主,厚度 5.85m,強(qiáng)度主要集中在 26.4～35.2MPa之間,單軸抗壓強(qiáng)度較小;之上為 0.3m厚的泥質(zhì)砂巖,層理比較發(fā)育,抗壓強(qiáng)度為 60.1MPa;再上為細(xì)砂巖,厚度為 0.65m。從頂板結(jié)構(gòu)看,錨桿支護(hù)不能滿足要求,頂板應(yīng)采用全錨索支護(hù),可采用1×19股 φ22-5400mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)緊力鋼絞線。

33104巷幫向外擠出現(xiàn)象比較嚴(yán)重,巷幫可采用桿體為 22號(hào)左旋無縱筋螺紋鋼筋,型號(hào)BHRB500,長(zhǎng)度 2400mm,桿尾螺紋為M24。

2.3 錨固參數(shù)

錨固參數(shù)包括錨固劑的型號(hào)、規(guī)格尺寸、錨固時(shí)間和錨固長(zhǎng)度等。

錨固劑直徑應(yīng)與鉆孔直徑和錨桿直徑相匹配,一般比較合理的錨固劑直徑比鉆孔直徑小 5mm。

錨桿錨固長(zhǎng)度主要分為端部錨固、加長(zhǎng)錨固和全長(zhǎng)錨固。

(1)對(duì)于端部錨固錨桿,錨桿拉力除錨固端外,沿長(zhǎng)度方向是均勻分布的。一般端部錨固成本相對(duì)較低,易于安裝,施工速度快,但是支護(hù)剛度比較低,控制圍巖離層與滑動(dòng)的能力較差,適用于圍巖比較完整、穩(wěn)定,壓力小的巷道。

(2)對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿,錨固劑將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結(jié)在一起,使錨桿隨著巖層移動(dòng)承受拉力。一旦巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí),與桿體共同起抗剪作用,阻止巖層發(fā)生滑動(dòng),但是全長(zhǎng)錨固成本較高,安裝速度相對(duì)較慢,比較適用于圍巖較破碎、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、壓力大的巷道。

(3)加長(zhǎng)錨固錨桿兼有端錨與全錨的特點(diǎn)。加長(zhǎng)的錨固段可有效控制圍巖的離層與滑動(dòng),靠近孔口的自由段便于施加預(yù)應(yīng)力,支護(hù)成本和安裝速度介于端錨和全錨之間。

根據(jù)趙莊煤礦 33104巷實(shí)際情況,確定巷道頂板采用加長(zhǎng)錨固：3支樹脂錨固劑,1支 K2335,2支Z2360,鉆孔直徑 28mm;巷幫加長(zhǎng)錨固,采用 2支錨固劑,1支 K2335,1支 Z2360,鉆孔直徑 28mm。

2.4 預(yù)應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用。但是,長(zhǎng)期以來,由于很多礦區(qū)沒有認(rèn)識(shí)到預(yù)應(yīng)力的重要性,并且錨桿、錨索施工機(jī)具不能提供較大的預(yù)應(yīng)力,導(dǎo)致錨桿、錨索施加的預(yù)應(yīng)力普遍偏低,一般錨桿預(yù)緊力矩為 80～120N·m,錨索預(yù)緊力只有 100kN左右,沒有充分發(fā)揮錨桿支護(hù)系統(tǒng)主動(dòng)支護(hù)的效果,嚴(yán)重影響了錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮。

錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的原則是控制巷道圍巖不發(fā)生明顯的離層和滑動(dòng)。井下多年經(jīng)驗(yàn)表明：合理的預(yù)應(yīng)力值,能夠?qū)ο锏离x層與滑動(dòng)進(jìn)行有效控制。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的礦區(qū)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我國(guó)煤礦巷道條件,確定錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力為桿體屈服載荷的30%～50%,因此,錨桿、錨索直徑越大,桿體材質(zhì)強(qiáng)度越高,要求的預(yù)應(yīng)力值也就越高。

對(duì)于 HRB600、直徑 25mm的強(qiáng)力錨桿,預(yù)應(yīng)力的取值范圍為 90～150kN。

對(duì)于 φ22mm的錨索,預(yù)應(yīng)力取值范圍為 180～300kN,錨索的屈服載荷越高,要求的預(yù)應(yīng)力就越高。

趙莊礦頂煤和直接頂極易風(fēng)化,且微裂隙發(fā)育。掘開巷道后,當(dāng)支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度、剛度較小時(shí),錨桿只有靠頂板變形后才能起作用,這時(shí)頂板微裂隙開始張開,空氣進(jìn)入裂隙后,造成頂板裂變成小碎塊,出現(xiàn)掉碴、脫皮現(xiàn)象。較大的預(yù)緊力能有效控制微裂隙擴(kuò)張,不易風(fēng)化,鑒于此,33104巷頂板錨索預(yù)緊力應(yīng)≥250kN,巷幫錨桿錨固力≥150kN,預(yù)緊力矩≥400N·m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)給出的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)原則及方法,結(jié)合趙莊煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,最終對(duì)趙莊煤礦 33014巷頂板采用高預(yù)緊力全錨索支護(hù)、巷幫采用錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。

3.1 掘進(jìn)時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

(1)頂板支護(hù) 錨索采用 1×19股 φ22-5400mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)緊力鋼絞線;每排 4根錨索,排距 1500mm,兩邊 2根錨索距離巷幫350mm,中間 2根錨索間距 1300mm;加長(zhǎng)錨固,3支樹脂錨固劑,1支 K2335,2支 Z2360,鉆孔直徑 28mm,錨索預(yù)緊力不小于 250kN。

鋼筋網(wǎng)采用 φ6.5的鋼筋焊接而成,網(wǎng)孔100mm×100mm,網(wǎng)片規(guī)格 2700mm×1650mm,鉤結(jié)長(zhǎng)度 150mm,每排 2片。

(2)巷幫支護(hù) 錨桿為 BHRB500號(hào) φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋,長(zhǎng)度 2400mm,桿尾螺紋為M24;排距 1500mm,每排 5根錨桿,間距 950mm;樹脂加長(zhǎng)錨固,1支 K2335,1支 Z2360,鉆孔直徑 28mm,錨桿錨固力不小于 150kN,預(yù)緊力矩不小于 400N·m;錨桿均垂直巷幫布置,靠近頂?shù)装宓腻^桿考慮施工困難,安設(shè)角度不能大于 10°。

錨索采用 1×19股 φ22-5400mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)緊力鋼絞線,每排 2根,錨索距離頂、底板分別為 800mm,1500mm,排距 1500mm;加長(zhǎng)錨固,3支樹脂錨固劑,1支 K2335,2支 Z2360,錨索預(yù)緊力不小于 250kN;

網(wǎng)片采用 10號(hào)鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫,網(wǎng)孔 50mm×50mm,網(wǎng)片 4200mm×1650mm,搭接 150mm,每排每幫 1片。

33014巷掘進(jìn)時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)如圖 1。

圖1 33014巷掘進(jìn)時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

3.2 工作面回采前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

頂板支護(hù) 頂板不進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),只在橫川交岔口加強(qiáng)支護(hù)。

巷幫支護(hù) 在巷幫原 2根錨索中間,每隔 1排補(bǔ)打 1根 φ22-5400mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)緊力鋼絞線錨索,錨索預(yù)緊力不小于 250kN。

工作面回采前 33014巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)如圖 2。

圖2 工作面回采前 33014巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

3.3 趙莊煤礦 33104巷支護(hù)效果分析

3301綜采工作面自 2010年 3月 1日開始回采,到 2010年 6月初工作面推進(jìn)將近 400m。對(duì) 33014巷進(jìn)行了長(zhǎng)期的礦壓監(jiān)測(cè),收集 2個(gè)多月的礦壓資料,錨索受力檢測(cè)如圖 3所示。從圖 3可看出：

圖3 33014巷錨索受力

(1)錨索受力比較均勻,沒有太大的變化,說明 33014巷道整體比較完整,位移量不大,錨索受力沒有明顯的增大。

(2)反過來,頂板錨索受力都在 220kN以上,巷幫錨索受力都在 100kN以上,錨索受力比較大,很好地控制了巷幫的變形,保證了巷道圍巖的完整性,使錨索的受力不是一直增大。

這說明錨索設(shè)計(jì)要求預(yù)緊力達(dá)到 250kN是合理的,起到了控制圍巖變形的目的。從錨索受力情況看,支護(hù)效果良好。

同時(shí)對(duì) 33104巷表面位移進(jìn)行了大量觀測(cè),最終結(jié)果也顯示,33104巷整體沒有太大的變形,頂板下沉量最大 120mm,巷道兩幫移近量最大500mm,完全能滿足 3301工作面回采使用要求。

4 結(jié)論

(1)錨桿支護(hù)應(yīng)遵循一次支護(hù)、高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散、“三高一低”、相互匹配等原則。

(2)錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)細(xì)化,綜合考慮幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、錨固參數(shù)、預(yù)應(yīng)力等因素。

(3)高預(yù)應(yīng)力 (250kN)、短強(qiáng)力錨索(5400mm),加長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固,頂板采用全錨索支護(hù),巷幫錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)布置,是解決高地壓、大變形、圍巖破碎巷道支護(hù)難題的有效支護(hù)手段,其中預(yù)應(yīng)力是影響錨桿支護(hù)體系支護(hù)效果的關(guān)鍵因素。

(4)給出的錨桿支護(hù)原則和錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法,應(yīng)用在趙莊煤礦受采動(dòng)影響的 33104巷取得良好的支護(hù)效果,不僅解決了巷道支護(hù)難題,同時(shí)驗(yàn)證了支護(hù)理論的正確性,而且積累了豐富的寶貴經(jīng)驗(yàn),為以后類似條件巷道的支護(hù)奠定了基礎(chǔ)。

[1]康紅普,王金華,等 .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.

[2]康紅普,林 健,吳擁政 .全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用 [J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34：1153-1159.

[3]周茂春,周學(xué)斌,王學(xué)斌 .深部大斷面硐室高強(qiáng)穩(wěn)定型支護(hù)技術(shù) [J].煤礦開采,2010,15(3)：62-63.

[4]解子文 .高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)在王坡煤礦的應(yīng)用 [J].煤礦開采,2010,15(4)：71-72.

[責(zé)任編輯：鄒正立 ]

TD353

B

1006-6225(2011)02-0059-04

2010-10-18

趙建國(guó) (1969-),男,山西晉城人,工程師,現(xiàn)任趙莊煤業(yè)有限公司董事長(zhǎng)。