堅(jiān)硬表層頂板煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)

1、堅(jiān)硬表層頂板煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)因錨桿支護(hù)具有多方面的優(yōu)越性，正逐步成為煤巷的主要支護(hù)型式。九龍煤礦第一水平采深約700 m，現(xiàn)有巖巷、煤巷均顯現(xiàn)出較高的地壓，其顯現(xiàn)主要表現(xiàn)為兩幫收斂量及頂板下沉量大，兩幫最大收斂量高達(dá)0.8 m，頂板下沉量達(dá)0.30.4 m，采用工字鋼支護(hù)需多次重復(fù)返修。為此，對采用錨桿支護(hù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究并獲得成功。煤巷頂板成層性明顯，巖層構(gòu)成對錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)影響重大，故對頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析是確立合理支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)。1試驗(yàn)巷道概況與頂板結(jié)構(gòu)分析1.1試驗(yàn)巷道概況試驗(yàn)巷道設(shè)在九龍礦207輕放工作面回風(fēng)巷，煤層的底板標(biāo)高為565610 m，采深約691.0734.3 m。巷道跨度3

2、.6 m，中高2.6 m。工作面位于北翼一采區(qū)北部，南為2下煤膠帶上山，北為一采區(qū)邊界，東西均為未開采的實(shí)體煤，其上部為已采的207北工作面和在采的205北工作面。1.2頂板結(jié)構(gòu)及分析通過打鉆取芯，得到該巷道頂板巖芯結(jié)構(gòu)構(gòu)成如表1所示。頂板表面00.6 m范圍為細(xì)砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)86.1 MPa。該巖層00.18 m間巖芯分層較薄，小于5 cm。但0.180.48 m間一層厚度達(dá)0.3 m，且強(qiáng)度高、厚度大，對選擇較大的錨桿間排距提供了重要的依據(jù)。巷道頂板內(nèi)部0.6 m以上的砂質(zhì)泥巖層厚度約0.120.28 m，一般在0.2 m左右，該巖層單軸抗壓強(qiáng)度在49.458.7 MPa之間，單軸抗

3、拉強(qiáng)度平均3.3 MPa，屬常見的煤巷頂板巖性。3.3 m以上的細(xì)砂巖強(qiáng)度較高，屬老頂巖層。表1頂板巖芯結(jié)構(gòu)構(gòu)成巖芯長度m巖性類型巖層層數(shù)最大層厚m平均厚度m單軸強(qiáng)度MPa抗拉抗壓00.6細(xì)砂巖70.300.095.886.10.61.7砂質(zhì)泥巖40.380.283.449.41.72.4砂質(zhì)泥巖50.210.142.552.32.42.8砂質(zhì)泥巖20.350.203.758.72.83.3砂質(zhì)泥巖30.200.173.549.53.35.4細(xì)砂巖90.500.126.580.62錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)2.1頂板錨桿間排距由于頂板巖芯結(jié)構(gòu)存在0.30 m厚的完整堅(jiān)硬巖層，使單根錨桿的支護(hù)作用范圍較大

4、，因此頂板錨桿間排距按1.1 m設(shè)計(jì)。2.2頂板錨桿長度頂板錨桿的設(shè)計(jì)采用由兩根角錨桿和鋼筋梁組合承擔(dān)冒落巖層重量，中間錨桿起組合巖層、控制位移過大的作用。理論分析表明1，當(dāng)角錨桿與水平面夾角6070時(shí)，角錨桿對頂板的控制效果最好，故取角錨桿傾角60，長度按下式確定： LL1L2式中L1角錨桿外露長度，m;L2角錨桿有效長度，m。一般要求L2在煤壁上的水平投影長度2不應(yīng)小于0.7 m，即L2cos0.20.7由此可得L21.8 m，L1.9 m。取頂板錨桿長度為2.0 m。2.3頂板錨桿材質(zhì)與直徑頂板不穩(wěn)定巖層高度hmax按普氏冒落拱計(jì)算，即：式中B巷道跨度，m；h1、h2巷道上、下幫高度，m

5、；煤的內(nèi)摩擦角，()；f普氏系數(shù)。B3.6 m，h12.2 m，h23.0 m，30；頂板巖層最低強(qiáng)度為49.4 MPa，故f4.94。將數(shù)據(jù)代入上式計(jì)算得hmax0.97 m。每根角錨桿承擔(dān)冒落巖石重量為：WbBhmaxk(2sin)式中b錨桿排距，m；取b1.1 m；頂板平均容重，kN/m3，取25 kN/m3；k安全系數(shù)，取k2.5。上式中其余參數(shù)如前述，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得W104.0 kN。選用20MnSi螺紋鋼錨桿，錨桿直徑由下式計(jì)算：取340 MPa，經(jīng)計(jì)算后得d19.7 mm，取d20 mm。2.4幫錨桿參數(shù)根據(jù)該巷道埋深達(dá)700 m以上、地壓顯現(xiàn)明顯、兩幫收斂量大的情況，幫錨桿參數(shù)

6、按高強(qiáng)度大間距的原則設(shè)計(jì)，并參考煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范(征求意見四稿)確定采用直徑20 mm、長度2 m的20MnSi螺紋鋼錨桿，間距為0.9 m，排距為1.1 m。錨桿布置見圖1所示。2.5其它鋼筋梁根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用直徑為14 mm的A3圓鋼焊接而成。頂錨桿配備直徑120 mm的鑄鋼托盤1個(gè)；幫錨桿配備200 mm400 mm50 mm的木托板和直徑120 mm的鑄鋼托盤各1個(gè)；幫和頂板錨桿均用2卷K2835樹脂錨固劑錨固。圖1巷道規(guī)格與支護(hù)參數(shù)3巷道穩(wěn)定性觀測結(jié)果分析試驗(yàn)巷道于1997年8月2日開始施工，于8月6日施工25 m后安裝了表面收斂測點(diǎn)和多點(diǎn)位移計(jì)測點(diǎn)。工作面于1998年9月16日回采

7、過測點(diǎn)，試驗(yàn)巷道經(jīng)受住了回采動(dòng)壓的影響和考驗(yàn)。3.1掘進(jìn)影響期間位移分析從掘進(jìn)影響期表面收斂曲線(圖2)來看，頂板總位移量為21 mm，變形量很小，說明頂板是穩(wěn)定的。頂板變形約在前10 d較大，變形速率平均為1.4 mmd，1030 d內(nèi)屬過渡期，變形速率平均約0.5 mmd，以后進(jìn)入穩(wěn)定期。試驗(yàn)巷道掘進(jìn)影響期兩幫的總收斂量為108 mm，但大部分變形集中在安裝測站后的前7 d內(nèi)，平均變形速率達(dá)10.1 mmd，約40 d后兩幫即趨于穩(wěn)定。圖2試驗(yàn)巷道掘進(jìn)影響期表面位移曲線3.2采動(dòng)影響期間位移分析由圖3可見，巷道受采動(dòng)的影響很大，頂板和兩幫總位移量分別為105 mm和339 mm，其中采動(dòng)影響期分別占76.2和68.1%；采動(dòng)影響距離約為38 m左右，與該礦以往礦壓觀測得到的直接頂初次跨落步距一致；位移速率在采距小于13 m后急劇增加，兩幫最大達(dá)74 mmd。圖3采動(dòng)影響期間位移曲線3.3支護(hù)效果與經(jīng)濟(jì)效益試驗(yàn)巷道從掘進(jìn)到回采歷時(shí)1年多，未發(fā)生片幫、冒頂?shù)仁鹿省ｍ敯逑鲁亮颗c巷道中高之比為4，兩幫收斂總量與巷道跨度之比為13，在合理的位移范圍內(nèi)，說明支護(hù)效果良好。試驗(yàn)巷道錨桿支護(hù)直接成本718.5元m，若采用工字鋼支護(hù)直接成本為874.