特厚煤層沿底全煤巷道錨桿支護(hù)技術(shù)可行性研究①

曹虎斌

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西寧武 036700)

1 前言

山西潞安集團(tuán)潞寧大木廠煤業(yè)有限公司位于寧武縣，目前，礦井處于技改期，生產(chǎn)所需地質(zhì)資料較為缺乏，巷道大多采用木棚或工字鋼支架支護(hù)，不僅支護(hù)費(fèi)用高，支護(hù)效果也不理想，嚴(yán)重影響了巷道的安全程度和掘進(jìn)速度。礦井主采5號煤層，傾角27°～42°，平均38°;厚9.91～23.72m，平均13.78m，煤層直接頂主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，巖相及厚度變化較大，屬于不穩(wěn)定頂板，煤層及頂板巖層柱狀見圖1;煤體強(qiáng)度變化較大，完整性較差，軟弱、易碎，先前未進(jìn)行過巷道錨網(wǎng)支護(hù)實踐，支護(hù)設(shè)計缺乏依據(jù)，錨網(wǎng)支護(hù)難度大。國內(nèi)外學(xué)者對厚煤層全煤巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，獲得了一些成果［1－4］，本文針對大木廠井下具體工程環(huán)境，采用測試、理論分析和數(shù)值模擬等多種手段對特厚煤層沿底板全煤巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 煤層及頂板巖層柱狀圖

2 煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)分析

煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試是進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計的基礎(chǔ)，采用該原位地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試方法［5－6］，對5號煤層地應(yīng)力、煤巖體強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，測點布置在5號煤運(yùn)輸巷中，位置如圖2所示。測試結(jié)果顯示，最大水平主應(yīng)力14.04 MPa，方向N35°W，最小水平主應(yīng)力7.20 MPa，垂直應(yīng)力7.13 MPa，應(yīng)力場屬于中等偏低應(yīng)力值區(qū)域;5號煤層直接頂以泥巖和砂質(zhì)泥巖混層為主，平均強(qiáng)度36.3 MPa，基本頂以細(xì)砂巖、中砂巖為主，層間有大量的泥巖和砂質(zhì)泥巖夾層，平均強(qiáng)度為73.3 MPa;巖層間存在明顯的裂隙和夾層，對巖層的整體強(qiáng)度有很大的影響，對巷道支護(hù)具有較明顯的影響。5號煤體強(qiáng)度曲線波動范圍較大，煤體完整性較差，大部分強(qiáng)度數(shù)值集中在10～14 MPa，平均強(qiáng)度為13.9 MPa。5號煤體強(qiáng)度測試結(jié)果如圖3所示。

圖2 煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試點位置

圖3 5號煤體強(qiáng)度測試曲線

3 錨固效果模擬分析

針對大木廠煤業(yè)煤體強(qiáng)度特征，采用大型數(shù)值模擬軟件FLAC，建立數(shù)值模擬模型，模擬的錨桿錨固長度分別為600mm、800mm和1200mm，研究錨固效果及預(yù)應(yīng)力在頂煤中的分布情況，分析托板處煤體位移。分析模擬結(jié)果，得出如下結(jié)論:

1)對錨桿施加預(yù)緊力后，錨桿托板處及錨固段靠近外側(cè)受力最大，錨固段沿著錨桿以里方向受力逐漸遞減。

2)錨固長度對煤體預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍影響較大，隨著錨固長度的增加，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍逐漸沿著錨桿長度方向減小，但沿著與錨桿相垂直方向增加，錨固長度1200mm時，錨桿錨固效果和預(yù)應(yīng)力分布狀況如圖4所示。

圖4 錨固長度1200 mm時，錨固效果和預(yù)應(yīng)力在頂煤中分布狀況

3)錨固長度對煤體中最大壓應(yīng)力值影響不大，煤體強(qiáng)度為13 MPa、預(yù)緊扭矩60 kN條件下托板附近煤體因錨桿預(yù)應(yīng)力作用而產(chǎn)生的最大變形為6.4 mm，變形量小，托板處煤體垂直位移曲線如圖5所示。

圖5 預(yù)緊力60kN時托板處煤體垂直位移變化曲線

4 錨桿(索)錨固性能試驗

錨固性能試驗主要指錨桿和錨索與煤巖體之間的錨固能力檢測［7－8］，是保證礦井安全生產(chǎn)，提高支護(hù)安全系數(shù)，并為今后的錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計和維護(hù)的依據(jù)。因此，要判斷錨桿支護(hù)技術(shù)的適用性，關(guān)鍵是對錨桿(索)錨固性能進(jìn)行測試，分析和檢驗井下現(xiàn)場錨固效果。

4.1 試驗方案

依據(jù)井下工程環(huán)境，選擇大木廠煤業(yè)5煤運(yùn)輸南翼皮帶機(jī)尾處、南翼皮帶下山距離南翼皮帶機(jī)尾10 m處和北翼皮帶巷距離出口50 m處進(jìn)行試驗，位置如圖6所示。5號煤運(yùn)輸巷沿底板布置時，錨固段在煤層中，測試采用錨桿拉拔儀和錨索張拉機(jī)具進(jìn)行，當(dāng)錨桿拉拔過程中達(dá)到錨桿屈服載荷，即認(rèn)為錨桿具有可錨性;錨索張拉值達(dá)到錨索破斷載荷70%時，錨索未拉出或破斷，即認(rèn)為錨索具有可錨性。

圖6 5號煤巷錨桿索錨固性能試驗地點位置

錨桿(索)錨固性能試驗主要材料包括:錨桿、錨索、托板、錨固劑。錨桿桿體為左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為335號，直徑22 mm，長度2.4 m，極限拉斷載荷186 kN，屈服載荷為127 kN;拱型托板規(guī)格為120×120×10 mm和150× 150×10 mm，高度不低于36 mm，承載能力不低于186 kN;錨索為φ18.9 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度為7300 mm，極限破斷力400 kN，托板規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板，高度不低于60 mm，承載能力不低于400 kN，錨桿采用一支K2335和一支Z2360樹脂藥卷錨固或一支Z2360樹脂藥卷兩種方式，錨索采用一支K2335和兩支Z2360樹脂藥卷錨固。5煤運(yùn)輸南翼皮帶機(jī)尾處、南翼皮帶下山和北翼皮帶巷斷面一樣，4 m×2.2 m，其中南翼皮帶機(jī)尾處、南翼皮帶下山距離南翼皮帶機(jī)尾10 m處和北翼皮帶巷分別布置8根錨桿，布置方式一樣，另外在南翼皮帶機(jī)尾處頂板布置6根錨索，錨桿錨索布置如圖7所示。

4.2 試驗效果分析

圖7 錨固性能測試中錨桿錨索布置圖

南翼皮帶機(jī)尾處錨桿錨固性能試驗結(jié)果顯示，8根錨桿均拉拔至186kN均未拉出或破斷，其中一個托板壓入煤體10 mm;南翼皮帶下山距離南翼皮帶機(jī)尾10m處8根錨桿均拉拔至186 kN未拉出或破斷，拉拔力為10 kN時，儀表指針上升很慢，來回擺動，煤體屈服、破碎和剝落;拉拔力186 kN時，6根錨桿托板壓入煤體約10 mm，2根錨桿托板壓入煤體約15 mm;北翼皮帶巷距離出口50 m處8根錨桿拉拔至186 k均未拉出或破斷，拉力為45 kN時，煤體屈服，托板壓入煤體，達(dá)到70kN時，托板全部壓入煤體，深度約10mm，此時儀表指針上升非常慢;在局部破碎區(qū)域，托板壓入煤體深度最大可達(dá)約40 mm;南翼皮帶機(jī)尾處打設(shè)6根錨索，可供試驗用5根錨索，均張拉至300kN，未失效，托板平均壓入煤體50 mm。

綜合上述分析可知:(1)錨桿拉拔至186 kN，均未拉出，以錨桿錨固力達(dá)127 kN及以上為合格，即具有可錨性，就5號煤層而言，錨桿可錨率100%;采用常規(guī)φ18.9 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，試驗可選用5根錨索，錨固力能達(dá)300 kN，錨索可錨固性能高。可見，大木廠煤業(yè)松軟特厚煤層全煤巷道適合采用錨桿支護(hù)技術(shù)。(2)無論是錨桿拉拔還是錨索張拉試驗，由于煤層的松軟導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力施加比較困難，尤其是破碎區(qū)域，采用一般的錨桿(索)托板時，預(yù)應(yīng)力施加非常困難。需要對錨桿和錨索護(hù)表構(gòu)件進(jìn)行選型或改進(jìn)，擴(kuò)大護(hù)表面積，可采用預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散型托板或采用w型鋼帶等。

5 結(jié)論

1)分析了井下煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果，獲得了煤巖體巖性特征，大木廠煤業(yè)煤層厚度大，煤體強(qiáng)度低，完整差，巷道沿底板布置，屬全煤巷道，支護(hù)難度大。

2)模擬研究了錨桿(索)錨固性能，獲得了不同錨固長度下錨桿(索)錨固效果及預(yù)應(yīng)力分布特征;井下試驗結(jié)果表明，錨桿、錨索與煤體之間的錨固性能較好，大木廠煤業(yè)特厚煤層沿底煤巷適合采用錨桿支護(hù)。

3)要保證5號煤沿底板巷道煤體錨桿支護(hù)的可行性，首先要盡量保證新掘巷道煤體完整性，采用綜掘;其次開發(fā)或設(shè)計適合特厚松軟煤層的高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，改變普通的支護(hù)方式，優(yōu)化錨桿支護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對錨桿、錨索及配件、鋼筋托梁等組合構(gòu)件進(jìn)行選型或研發(fā)。

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