孤島工作面順槽防沖耦合讓壓支護(hù)技術(shù)研究

1、石家莊中煤杯參評(píng)論文孤島工作面順槽防沖耦合讓壓支護(hù)技術(shù)研究陳東印，談力，王亞杰 捷馬（濟(jì)寧）礦山支護(hù)設(shè)備制造有限公司 山東 濟(jì)寧 272000摘 要 針對(duì)南屯煤礦具有強(qiáng)沖傾向的73上23孤島工作面順槽的實(shí)際情況，采用數(shù)值計(jì)算的方法確定了順槽易發(fā)生沖擊地壓的區(qū)域，并確定了危險(xiǎn)的等級(jí)。根據(jù)此順槽的特殊地質(zhì)與采礦條件，設(shè)計(jì)了防沖耦合讓壓支護(hù)系統(tǒng)對(duì)此工作面順槽進(jìn)行了支護(hù)試驗(yàn)。試驗(yàn)巷道選用直徑22mm的高強(qiáng)耦合讓壓錨桿（讓壓壓力120150kN）和直徑17.8mm耦合讓壓“鳥(niǎo)窩”錨索（讓壓壓力210250kN），設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力分別為60kN和120kN。監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)巷道頂板最大下沉量62mm，兩幫最大相對(duì)移近

2、量206mm，工作面在回采過(guò)程中出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，未發(fā)生沖擊地壓的災(zāi)害。試驗(yàn)表明，此防沖耦合讓壓支護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)此防沖支護(hù)的要求，實(shí)現(xiàn)了順槽的成功支護(hù)。關(guān)鍵詞 孤島工作面 耦合讓壓 沖擊地壓 鳥(niǎo)窩錨索- 1 概 述1.1 地質(zhì)采礦條件南屯煤礦七采區(qū)73上23工作面位于七采區(qū)北部，工作面北鄰73上25工作面采空區(qū)，東部為九采三分區(qū)南部回風(fēng)巷，南部為73上21（東）工作面采空區(qū)，西為73上21工作面采空區(qū)。本工作面設(shè)計(jì)開(kāi)采3上煤層，該工作面范圍內(nèi)，3上煤層賦存穩(wěn)定，煤層的厚度在1.506.0m之間，平均厚度5.38m。73上23工作面皮帶順槽荒寬為4900mm，荒高為3500mm，采用圓弧拱斷面，此

3、區(qū)域地質(zhì)柱狀圖如圖1所示。圖1 73上23皮帶順槽地質(zhì)柱狀圖1.2 沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)論根據(jù)數(shù)值分析及對(duì)73上23工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性的多因素評(píng)價(jià)，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域位置、危險(xiǎn)程度進(jìn)行疊加。通過(guò)疊加分析，將這些危險(xiǎn)區(qū)域劃分為兩類：一般危險(xiǎn)區(qū)域2個(gè)用淺色表示（即老頂初次來(lái)壓及上部巖層周期斷裂危險(xiǎn)區(qū)）；高度危險(xiǎn)區(qū)域4個(gè)用深色表示（即單工作面見(jiàn)方、雙工作面見(jiàn)方、斷層危險(xiǎn)區(qū)、煤柱危險(xiǎn)區(qū)）。如圖2所示。圖2 73上23工作面動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)劃分圖上述的6個(gè)危險(xiǎn)區(qū)按照開(kāi)采順序依次為：第一危險(xiǎn)區(qū)（老頂初次來(lái)壓危險(xiǎn)區(qū)），當(dāng)工作面推進(jìn)到距切眼4050m；第二危險(xiǎn)區(qū)（單工作面見(jiàn)方危險(xiǎn)區(qū)），工作面推進(jìn)到距切眼90130m；

4、第三危險(xiǎn)區(qū)（雙工作面見(jiàn)方危險(xiǎn)區(qū)），工作面推進(jìn)到距切眼200300m；第四危險(xiǎn)區(qū)（上部巖層周期斷裂區(qū)危險(xiǎn)區(qū)），工作面推過(guò)300m以后；第五危險(xiǎn)區(qū)（煤柱危險(xiǎn)區(qū)）；第六危險(xiǎn)區(qū)（斷層危險(xiǎn)區(qū)）。另外，該工作面為“不對(duì)稱孤島面”，工作面兩側(cè)的覆巖結(jié)構(gòu)不同，在73上21采空區(qū)一側(cè)，上覆巖層完全垮落，斷裂巖層已經(jīng)著矸，地表已經(jīng)完全沉降，因此在這一側(cè)煤柱上方的支撐壓力較??；而另一側(cè)的高位堅(jiān)硬巖層并未斷裂，其仍橫跨于兩側(cè)的實(shí)體煤上方，則其煤柱上方的支撐壓力較大，且隨著工作面開(kāi)采，覆巖結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，容易引起工作面的動(dòng)力災(zāi)害。因此73上23工作面皮帶順槽一側(cè)沖擊危險(xiǎn)性更大。2 耦合支護(hù)理念及防沖讓壓系統(tǒng)分析2.1

5、耦合支護(hù)理念耦合支護(hù)包括錨桿系統(tǒng)和圍巖耦合、錨索系統(tǒng)和圍巖耦合、錨桿間耦合及錨桿與錨索的耦合。錨桿系統(tǒng)和圍巖耦合：錨桿支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)強(qiáng)度和變形性能必須與圍巖耦合，以達(dá)到圍巖的穩(wěn)定平衡。錨索系統(tǒng)和圍巖耦合：錨索系統(tǒng)作為支護(hù)體的一部分，變形性能也必須與圍巖耦合，以達(dá)到圍巖的穩(wěn)定平衡。錨桿間的耦合：由于頂板和兩幫在不同位置的錨桿所經(jīng)受的位移和應(yīng)力過(guò)程不同，所以受力差別很大，這有可能造成受力大的錨桿首先破斷而將其本應(yīng)承擔(dān)的力傳遞到鄰近的錨桿，造成錨桿依次順序破斷1。錨桿和錨索的耦合：錨桿和錨索間的變形耦合也非常重要。從支護(hù)體本身來(lái)講，錨桿和錨索具有如下區(qū)別：延伸率：錨桿的延伸率遠(yuǎn)大于錨索的延伸率承載能

6、力：錨桿的承載能力離遠(yuǎn)小于錨索的承載能力支護(hù)范圍：錨索長(zhǎng)度一般來(lái)說(shuō)大于錨桿長(zhǎng)度。如果在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中應(yīng)用不當(dāng)，這種差別會(huì)導(dǎo)致錨桿或錨索由于變形協(xié)調(diào)不好而破壞，尤其會(huì)出現(xiàn)錨索大量破斷現(xiàn)象。2.2 防沖讓壓支護(hù)系統(tǒng)分析2.2.1 防沖支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素根據(jù)73上23工作面的地質(zhì)采礦條件，順槽在掘進(jìn)和長(zhǎng)壁工作面回采期間將經(jīng)受較大的應(yīng)力和變形過(guò)程，同時(shí)，為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了客觀條件2。順槽支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮巷道圍巖大變形的特性，同時(shí)要求錨桿支護(hù)系統(tǒng)必須具有防沖特性。因此作為防沖錨桿、錨索支護(hù)設(shè)計(jì)必須考慮以下四個(gè)關(guān)鍵因素：錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)原理；巷道圍巖應(yīng)力與變形的關(guān)系； 支護(hù)系統(tǒng)工作特

7、性與圍巖應(yīng)力、圍巖變形關(guān)系的耦合；防沖系統(tǒng)的靈敏度設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇。2.2.2 防沖讓壓系統(tǒng)分析沖擊地壓對(duì)支護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，往往造成支護(hù)系統(tǒng)被沖斷、摧毀。支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足下列條件：增加支護(hù)強(qiáng)度：由于沖擊地壓所產(chǎn)生的沖擊效果難以預(yù)料，目前還沒(méi)有定量的計(jì)算方法，然而支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)必須比無(wú)沖擊條件下的支護(hù)強(qiáng)度提高1.5倍。提高支護(hù)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)壓的適應(yīng)性：盡管支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度增加了，然而，瞬時(shí)沖擊地壓所產(chǎn)生的沖擊力一般來(lái)說(shuō)很難抗拒，所以，必須采取適當(dāng)?shù)姆罌_措施，使得沖擊地壓發(fā)生時(shí)，防沖措施可以把瞬時(shí)沖擊力緩解到支護(hù)強(qiáng)度之下。設(shè)置防沖系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下兩個(gè)方面目標(biāo)：當(dāng)發(fā)生沖擊地壓時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)能夠發(fā)生靈敏的

8、反應(yīng)，使支護(hù)系統(tǒng)在沖擊波產(chǎn)生的瞬間做出及時(shí)響應(yīng)，并保證支護(hù)系統(tǒng)在變形過(guò)程中仍保持在安全可控范圍內(nèi)（對(duì)于錨桿與錨索而言，就是保證其仍在彈性變形范圍內(nèi)工作）。正常支護(hù)期間，通過(guò)合理的支護(hù)強(qiáng)度與讓壓均壓設(shè)計(jì)，使支護(hù)體系能夠適應(yīng)圍巖應(yīng)力變形的需要，保證支護(hù)體系服務(wù)期內(nèi)穩(wěn)定，并有效控制圍巖的變形使其滿足安全生產(chǎn)需要。為實(shí)現(xiàn)上述防沖讓均壓耦合目標(biāo)，需要對(duì)支護(hù)體系進(jìn)行防沖與讓壓兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，為錨桿設(shè)計(jì)的防沖讓均壓耦合泡，如圖3所示。圖3 錨桿防沖讓均壓耦合泡防沖讓均壓耦合泡的設(shè)計(jì)是以圍巖應(yīng)力與變形的關(guān)系以及支護(hù)系統(tǒng)的工況點(diǎn)等為基礎(chǔ)，防沖泡所起的作用是適應(yīng)沖擊的需要，保證支護(hù)系統(tǒng)在彈性范圍內(nèi)工作；讓壓泡的作

9、用一是適應(yīng)采動(dòng)影響以及圍巖應(yīng)力過(guò)高時(shí)起到過(guò)載保護(hù)，二是保證支護(hù)系統(tǒng)受力均勻，即均壓。其工作原理示意圖如圖4所示。圖4 錨桿防沖讓壓耦合泡工作原理支護(hù)系統(tǒng)的正常工況點(diǎn)在D點(diǎn)，如發(fā)生沖擊地壓，巷道的支護(hù)體受力將急劇上升，此時(shí)讓壓耦合泡的作用就是隨著沖擊波的發(fā)生而隨之發(fā)生適應(yīng)性變形以保護(hù)支護(hù)體；同時(shí)要保證沖擊波發(fā)生的瞬間，支護(hù)體仍在彈性范圍內(nèi)而不至于因發(fā)生沖擊而破壞支護(hù)系統(tǒng)，瞬時(shí)工況點(diǎn)在E點(diǎn)，支護(hù)系統(tǒng)仍在彈性范圍內(nèi)。支護(hù)系統(tǒng)的讓壓設(shè)計(jì)主要控制的參數(shù)是讓壓點(diǎn)、讓壓穩(wěn)定性與讓壓距離，在此不進(jìn)行詳述。3 支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 支護(hù)方案73上23工作面皮帶順槽設(shè)計(jì)采用防沖耦合讓壓錨桿、錨索及金屬網(wǎng)聯(lián)

10、合支護(hù)系統(tǒng)。3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1 錨桿采用ANSYS模擬了不同錨桿預(yù)應(yīng)力條件下的圍巖受力狀況，得到錨桿需施加的最佳預(yù)應(yīng)力值。利用庫(kù)侖準(zhǔn)則作為判定圍巖破壞的依據(jù)，同時(shí)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，確定支護(hù)參數(shù)。（1）錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為了確定巷道錨桿長(zhǎng)度，采用摩爾-庫(kù)侖安全系數(shù)法確定巷道圍巖的破壞范圍3。摩爾-庫(kù)侖安全系數(shù)評(píng)價(jià)公式為：式中：內(nèi)摩擦角，°；1最大主應(yīng)力，MPa；3最小主應(yīng)力，MPa；C內(nèi)聚力，MPa。對(duì)于頂板，當(dāng)SF1.2時(shí)認(rèn)為頂板是穩(wěn)定的；對(duì)于兩幫，當(dāng)SF1.0時(shí)認(rèn)為兩幫是穩(wěn)定的。根據(jù)有限元分析結(jié)果，頂板1.9m以上的SF>1.2即為穩(wěn)定巖層。為把錨桿錨固在相對(duì)穩(wěn)

11、定的巖層中，確定錨桿長(zhǎng)度為2400mm。（2）錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)錨桿的預(yù)應(yīng)力是發(fā)揮錨桿支護(hù)效能的關(guān)鍵，其主要作用有如下兩點(diǎn)4：防止頂板巖層產(chǎn)生離層；減小或消除頂板巖層中的拉應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力值。經(jīng)有限元優(yōu)化計(jì)算，確定錨桿的預(yù)應(yīng)力值為60kN，錨索的預(yù)應(yīng)力值120kN。為確保錨桿的預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)采用機(jī)械式扭矩放大器（扭矩放大3.5倍）對(duì)錨桿進(jìn)行緊固。（3）錨桿直徑的確定依據(jù)錨桿安裝應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，錨桿的安裝應(yīng)力不應(yīng)大于錨桿屈服強(qiáng)度的50%，因此錨桿的最小屈服強(qiáng)度120kN?？紤]施工及成本因素，選擇錨桿的直徑為22mm、長(zhǎng)為2400mm，桿材為Q500鋼，其錨桿屈服強(qiáng)度大于190kN（考慮了防沖

12、要求的1.5倍的安全系數(shù)），抗拉強(qiáng)度大于250kN。（4）錨桿間排距的確定有限元模擬是按1m排距計(jì)算的，并考慮了必要的安全系數(shù)。為確保安全，在試驗(yàn)階段設(shè)計(jì)排距900mm，間距825mm。（5）防沖耦合讓壓泡在合理的錨桿長(zhǎng)度和安裝應(yīng)力條件下，錨桿支護(hù)系統(tǒng)將發(fā)揮其應(yīng)有的作用并承受圍巖的變形載荷。然而，部分圍巖變形是不可控制的，所以錨桿支護(hù)系統(tǒng)必須有控制讓壓能力。根據(jù)所選用的錨桿強(qiáng)度，防沖耦合讓壓泡的控制讓壓壓力120150kN，長(zhǎng)度70mm，讓壓距離36mm。（6）配件為滿足錨桿桿體強(qiáng)度及增加護(hù)表面積的要求，錨桿采用面積較大的150×150×10（mm）托盤(pán)，其強(qiáng)度大于280k

13、N。錨桿配套阻尼螺母及“三明治”墊圈。3.2.2 錨索為適應(yīng)地質(zhì)條件的變化，采用快裝耦合讓壓“鳥(niǎo)窩”錨索作為輔助支護(hù)5。設(shè)計(jì)錨索直徑為17.8mm、長(zhǎng)度為7m，錨索強(qiáng)度大于360kN。錨索配置300×300×12（mm）的高強(qiáng)球型托盤(pán)。錨索布置在兩排錨桿的中間，排距為1900mm。錨索采用防沖耦合“雙泡”讓壓環(huán)，讓壓壓力210250kN。皮帶順槽支護(hù)方案如圖5所示。 圖5 73上23皮帶順槽支護(hù)斷面圖4 皮帶順槽支護(hù)效果分析73上23工作面皮帶順槽試驗(yàn)段設(shè)置了3組觀測(cè)站，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：巷道表面位移監(jiān)測(cè)、錨桿錨固力監(jiān)測(cè)、錨桿安裝應(yīng)力（預(yù)應(yīng)力）監(jiān)測(cè)、錨桿與錨索受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)及

14、頂板離層監(jiān)測(cè)5個(gè)方面。（1）錨桿安裝應(yīng)力監(jiān)測(cè)為確定錨桿的安裝應(yīng)力與安裝扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于井下錨桿施工及安裝質(zhì)量檢測(cè)，在井下進(jìn)行了安裝應(yīng)力與安裝扭矩關(guān)系試驗(yàn)。錨桿安裝應(yīng)力與安裝扭矩關(guān)系如圖6所示。當(dāng)采用高強(qiáng)扭矩應(yīng)力錨桿時(shí)，監(jiān)測(cè)到錨桿的安裝扭矩不小于250N·m，能滿足設(shè)計(jì)的錨桿安裝應(yīng)力60kN左右的要求。圖6 錨桿安裝應(yīng)力與安裝扭矩關(guān)系（2）錨桿錨固力監(jiān)測(cè)在掘進(jìn)期間對(duì)10根錨桿進(jìn)行了井下拉拔試驗(yàn)，錨固力達(dá)到180kN時(shí)錨桿系統(tǒng)均未發(fā)生破壞，圖7為一個(gè)頂板錨桿的拉拔試驗(yàn)曲線，此時(shí)錨桿預(yù)應(yīng)力65kN，錨桿的屈服強(qiáng)度190kN，錨桿在拉拔過(guò)程中性能很穩(wěn)定。圖7 錨桿拉拔試驗(yàn)拉力位移曲線（3

15、）巷道表面位移監(jiān)測(cè)根據(jù)三組觀測(cè)站觀測(cè)到的數(shù)據(jù)知，皮帶順槽在整個(gè)服務(wù)期間頂板最大下沉量62mm，兩幫的最大相對(duì)移近量206mm，巷道的變形主要發(fā)生在采煤工作面回采期間，巷道的整體表現(xiàn)比較穩(wěn)定，在掘進(jìn)與回采期間，巷道掘進(jìn)迎頭與采煤工作面的端頭區(qū)域“煤炮”較多，礦壓顯現(xiàn)比較明顯，未形成沖擊地壓災(zāi)害。（4）錨桿受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)通過(guò)三組觀測(cè)站錨桿與錨索托板壓力表的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，頂板錨桿的最大拉力165kN，兩幫錨桿的最大拉力145kN，錨桿未達(dá)到屈服狀態(tài)。頂板錨索的最大拉力225kN。大部分錨桿、錨索的讓壓裝置出現(xiàn)了明顯變形，說(shuō)明錨桿、錨索的耦合讓壓設(shè)計(jì)發(fā)揮了作用。（5）頂板離層監(jiān)測(cè)通過(guò)窺孔儀在試驗(yàn)段對(duì)頂板

16、6個(gè)觀測(cè)孔進(jìn)行的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，僅個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)了1015mm的離層，其中淺部最大離層9mm，深部最大離層7mm。5 結(jié) 論通過(guò)防沖耦合讓壓錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)的共同作用，增強(qiáng)了巷道支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度，適應(yīng)了動(dòng)壓影響的要求；通過(guò)提高高強(qiáng)錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力以及巷道表面支護(hù)強(qiáng)度，提高了巷道的支護(hù)效果，巷道實(shí)現(xiàn)了一次性支護(hù)穩(wěn)定，不需維修及加固。通過(guò)耦合支護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了支護(hù)系統(tǒng)與圍巖的變形協(xié)調(diào)，既適應(yīng)了巷道變形需要又實(shí)現(xiàn)了保護(hù)支護(hù)系統(tǒng)的目標(biāo)。73上23工作面皮帶順槽防沖耦合讓壓支護(hù)試驗(yàn)的成功表明，在具有沖擊傾向性條件下順槽采用合理的防沖耦合讓壓支護(hù)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)類似條件下的巷道一次支護(hù)成功，是一種技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方式。參考文獻(xiàn)1 王亞杰.深井高地壓、大變形圍巖巷道支護(hù)技術(shù)及錨桿設(shè)計(jì)J.煤礦支護(hù),2008,(1):8-18.2 于斌.高強(qiáng)度錨桿支護(hù)系統(tǒng)及在大斷面煤巷中的應(yīng)用J.煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(8):5-8,18.3 王金華.全煤巷錨桿錨索聯(lián)