大斷面綜放開切眼錨桿支護設(shè)計與圍巖穩(wěn)定性研究

陳永輝

平頂山天安煤業(yè)三礦有限責(zé)任公司,河南平頂山 467092

隨著我國綜采開放技術(shù)的不斷應(yīng)用，并逐漸向礦井的深部延伸，一些新難題也隨之而來，例如極破碎圍巖巷道、沿空掘巷、全煤巷道等，隨著開采強度越來越大，對巷道斷面也提出較高要求。為了改善巷道支護效果與質(zhì)量，在借鑒國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過全力攻關(guān)，基本形成與我國煤礦條件相適應(yīng)的煤巷錨桿支護技術(shù)以及動態(tài)信息設(shè)計方法。目前，錨桿支護在我國全面推廣，經(jīng)濟效益良好。但是大斷面綜放開切眼與一般的薄煤層和中厚煤層巷道不同，斷面錨桿較大、頂煤較厚、變形量大、圍巖松軟，如果不能合理選擇支護形式及參數(shù)，就會產(chǎn)生以下問題：一方面，支護強度過高，浪費成本；另一方面，一旦支護強度不足，就會產(chǎn)生冒頂事故，帶來不必要的損失。因此，加強大斷面綜放開切眼錨桿支護設(shè)計的研究，對煤巷開采具有一定現(xiàn)實意義。

1 錨桿支護參數(shù)設(shè)計

1.1 頂板錨桿支護

以某實際工程為例，綜放開切眼頂板含有兩層夾矸、厚度約4.0m負荷煤頂板，穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生離層或冒落問題。因此，錨桿支護應(yīng)采取樹脂全長或者加長錨固等高強度的螺紋鋼錨桿支護強化頂板。高強度的螺紋鋼錨桿與樹脂藥卷全長錨固或者加長錨固配合支護。在錨固范圍內(nèi)，如果巖層、煤層等發(fā)生離層或變形，桿體會對圍巖產(chǎn)生一定約束力，避免煤層或巖層出現(xiàn)離層，因此，煤層或巖層的強度與剛度有所提高，可有效減少頂板下沉。另外，錨桿中部受力較大、兩端受力小，可減少在錨桿支護時，兩端受力過大、錨固端的頂板產(chǎn)生受力作用，容易發(fā)生破壞。通過采取錨桿支護，極大提高開切眼頂板的安全性。

1.2 頂板錨索支護

對于開切眼的跨度大、頂板厚的復(fù)合煤頂板來說，為了降低頂煤剪應(yīng)力與拉應(yīng)力，采取小孔徑的預(yù)應(yīng)力錨索，提高開切眼頂煤的支護效果。通過應(yīng)用小孔徑的預(yù)應(yīng)力錨索，將下部錨固區(qū)的頂板懸掛在上部穩(wěn)定巖中，和錨桿共同加固效果，提高頂板穩(wěn)定性，確保開眼安全。開切眼頂煤采取高強度錨索或者錨桿支護，既提高頂煤穩(wěn)定性，同時也可確保頂板的支撐能力，降低兩幫煤體壓力。

1.3 參數(shù)設(shè)計

1.3.1 斷面設(shè)計

根據(jù)安裝設(shè)備的客觀要求，以及巷道的位移變形預(yù)留量，形成矩形巷道斷面。

1.3.2 有限差值的分?jǐn)?shù)值設(shè)計

假設(shè)數(shù)值模型模擬范圍長×寬=300m×300m；網(wǎng)格是220mm×160mm，采取應(yīng)力邊界條件，模型上方的表面施加均勻壓力，模型兩側(cè)面施加的壓力隨著深度變化而變化，固定在模型下表面的垂直位置。為了如實反映巷道位移的特征，尤其當(dāng)巖石屈服之后產(chǎn)生的力學(xué)行為，又不會降低計算速度，采取以下兩種力學(xué)模型的模擬巖層：一是應(yīng)變軟化。模擬煤層巷道的直接頂、直接底以及煤層，而其他范圍中的煤層則采取摩爾-庫倫模型，模擬巖層的層面，以錨桿單元對錨桿進行模擬。共模擬約20多個方案，不斷調(diào)整錨桿的長度、直徑、間排距等因素，分析模擬方案中的兩幫煤層、頂板離層等剪切破壞程度、錨桿受力情況、兩幫位移等，最終確定最佳支護方案：利用樹脂材料加長錨固桿，并采取錨索補強的組合支護。切眼可分為兩次掘成，分兩次完成。具體設(shè)計數(shù)值如下：

1）錨桿：桿體是22#左旋的無縱筋螺紋鋼筋，長度約2.50m，桿尾螺紋規(guī)格M24，采取數(shù)值錨固劑（分別為K2355和Z2360型），鉆孔29mm，錨桿長度約12m；2）錨桿的布置：采取靠近巷幫的頂錨桿形式，安裝角度和垂線成25°的外偏角，其他頂錨桿則與頂板垂直。一般錨桿的間排距是8m×8m，分巷每排為5根，且兩分巷每排錨桿為一根錨桿交疊；3）鋼筋托梁：采取16mm的鋼筋焊接，整體寬度1m、長3.65m；4）錨索：為了提高頂板支護的強度，在頂板的中間位置布置3排錨索，規(guī)格約15.24mm×8300mm，間距約16m，利用長度2.5m的12#槽鋼，將前后兩根鋼筋相聯(lián)，每根錨索采取三卷樹脂錨固劑進行錨固，采取K2335型、Z2360型，鉆孔是28mm，錨固長度是14m，采取10m×9m×10m的鋼板當(dāng)做錨索托板，提高支護穩(wěn)定性。

2 圍巖穩(wěn)定性的效果分析

在大斷面綜放開切眼錨桿支護設(shè)計過程中，應(yīng)注重加強對圍巖表面的觀察和測量，觀察開切眼表面的曲線狀況。

1）通過錨桿支護作用，可有效維護巷道的效果，經(jīng)過長時間（一般為2個月）的觀測，從第一次掘進產(chǎn)生的影響、第二次掘進產(chǎn)生的影響直到安裝工作面，其中頂?shù)装搴蛢蓭彤a(chǎn)生的移近量約79mm和130mm；2）此種工程方式的掘進影響較少，在進行第一次掘進時，約5天～6天時間后，頂板的下沉狀況基本穩(wěn)定；約9天時間后，兩幫相對移近狀況也趨向穩(wěn)定，掘進的影響和掘進穩(wěn)定階段，頂板的相對移近量約43mm、兩幫相對移近量是70mm。也就是說，在高強度的錨桿與錨索支護下，可在短時間內(nèi)控制頂板下沉，兩幫采取竹錨桿支護即可，減少支護阻力，控制圍巖變形的能力相對較小；3）在第二次掘進時，對圍巖變形的影響較大，由于頂板支護強度比較大，再加上另一側(cè)的煤幫使用圓鋼錨桿支護，阻力比較大，可減少由掘進給圍巖變形帶來的影響，一般頂板是4天、兩幫是7天。減短了掘進的影響期，利于降低圍巖強度的損失，提高圍巖的穩(wěn)定效果，有效控制煤頂巷道的變形效果，減少發(fā)生片幫或者冒頂事故的可能性，確保巷道安全性，驗證支護設(shè)計具有極強的可靠性與合理性；4）大斷面綜放開切的維護效果較好，通過錨桿支護，相對減少底板和兩幫的移動量，增強頂板可靠性、安全性、穩(wěn)定性；增快掘進的速度，減少應(yīng)用材料，同時降低搬運材料的時間與勞動力；在二次掘進過程中，不會涉及到碰撞支架等問題，提高了施工速度與施工質(zhì)量；5）工作面的安裝空間大、安裝速度快，不涉及額外拆除支架問題，一般同等數(shù)量的設(shè)備安裝工作，至少可提前10天完成，減少了勞動強度，尤其節(jié)省搬運、安裝以及回收工字鋼棚支架等體力工作，減少勞動力的大量支出，提高錨桿和錨索的支護機械強度，具有較好的社會效益；6）采取高強度的錨桿和錨索支護技術(shù)，可顯著提高支護效果，一般應(yīng)用于下溝煤礦破碎煤頂?shù)南锏乐?，通過全面推廣，將為煤礦企業(yè)帶來極強的經(jīng)濟效益，促進煤礦企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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