B090102 復合頂板回采巷道錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護技術(shù)

1、復合頂板回采巷道錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護技術(shù)穆海洋 畢業(yè)武 蒲文龍【黑龍江科技學院安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027】摘 要 結(jié)合東海煤礦錨桿支護發(fā)展現(xiàn)狀，針對東海礦21綜采面傾斜長壁工作面具體地質(zhì)條件，介紹了復合頂板回采巷道錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護的試驗情況。根據(jù)巷道支護難點，提出了支護技術(shù)方案，確定了錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護技術(shù)參數(shù)；根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)實驗證明該巷道采用錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護技術(shù)，既改善了巷道圍巖的變形，又保證了工作面正?；夭?。關(guān)鍵詞 回采巷道 復合頂板 錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護-1 問題提出錨桿支護從1955年開始在煤礦巷道中使用，經(jīng)過多年的研究、改進和工程實踐，已成

2、為我國煤礦巷道的主要支護形式之一，其主要特點是支護費用少，勞動強度小，實現(xiàn)巷道大斷面較易等。隨著錨、梁、網(wǎng)組合使用，進一步擴大了錨桿支護的應用范圍。1979年錨桿支護巷道542km ，占全部巷道的36.3% ；1996年增加到897.18km，占全部巷道的57.34%。其中，巖巷、半煤巖巷、煤巷均得到應用，采用錨桿支護的范圍正在擴大。錨桿支護在煤巷的擴大應用，必將促進煤炭工業(yè)的進一步發(fā)展。如今在地壓小，斷層破碎帶少的煤礦，基本實現(xiàn)全錨化12。東海煤礦21綜采面回采巷是復合頂板巷道，支護極其困難。該礦以往采用傳統(tǒng)的工字鋼架棚支護，當開采頂部煤層時，由于回采產(chǎn)生的巨大壓力，往往會發(fā)生嚴重的支護變形

3、、破壞，很容易造成冒頂，需經(jīng)常進行維修；在工作面前需拆棚、回掘等，工序復雜而危險。組合錨桿支護作為一種主動支護形式，有利于工作面端頭的支護和安全回采。2 工程地質(zhì)背景21綜采面為傾斜長壁工作面，位于-592m水平東一采區(qū)，工作面回采巷長1685m，軌道巷長1600m，切眼長240m，傾角25。巷道均沿8煤頂板掘進，煤厚在2.53.45m之間，平均厚度為3.0m。巷道頂板相變較大，多數(shù)區(qū)段頂板為灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度為0.10.3m，局部區(qū)段頂板為灰色或灰白色細、中粒砂巖基本頂，8煤頂板為典型的復合層狀頂板，8煤頂、底板巖性如圖l所示。圖1 8煤巖性柱狀圖3 復合頂板特點與破

4、壞機理3.1 復合頂板特點所謂復合頂板，其本質(zhì)就是離層型頂板，即上覆于煤層由多層厚度較小，層理、節(jié)理和裂隙發(fā)育、強度低的軟弱煤巖層相間構(gòu)成，各巖層之間黏結(jié)力較弱甚至無黏結(jié)力，與上部巖層膠結(jié)性差的一層直接頂。一般經(jīng)采動影響，復合頂板因巖石強度低分層薄，其撓度比上部巖層大而向下彎曲，且上、下巖層膠結(jié)性差，附著力低，因而容易離層，在巷道發(fā)生局部冒頂?shù)氖鹿手?，復合型的破碎頂板占相當大的比?4。3.2 巷道頂板破壞機理3.2.1 巷道頂板破壞的一般過程頂板受壓變形巖石局部屈服變形節(jié)理弱面發(fā)生破壞頂板較低層位發(fā)生彎曲變形(伴有局部巖塊脫落)巖層發(fā)生拉伸或局部剪切破壞巷道頂板變形破壞。3.2.2 塑性破壞

5、機理 巷道圍巖在高地應力作用下，發(fā)生應力擴容變形而破壞。 巷道圍巖中含有膨脹性軟巖，吸水發(fā)生膨脹變形而使圍巖發(fā)生破壞。 錨固平衡拱內(nèi)巖石由彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐乃蓜芋w，使錨桿喪失加強錨固平衡拱的約束離層和抗剪切兩個基本作用，導致圍巖破壞。 巷道開挖后，巷道圍巖是先由壓應力引起的擠壓破壞，隨著擠壓破壞向圍巖深處發(fā)展，引起巖石裂隙擴張和體積膨脹，造成巷道周邊巖層彎曲，而產(chǎn)生彎曲拉應力，導致頂板巖層破壞。3.2.3 結(jié)構(gòu)破壞機理 巷道開挖后，巖層抗水平應力的截面減少，在水平應力作用下煤層沿水平層理面向巷道擠入，致使巷道幫頂受水平應力作用而破壞。 圍巖中節(jié)理構(gòu)造面的存在對圍巖的承載能力及其穩(wěn)定性影響很大，尤

6、其是節(jié)理面與最大主應力方向斜交時，巖體最容易沿節(jié)理弱面破壞而失穩(wěn)。 巷道開挖后，圍巖受力狀態(tài)由三軸應力變?yōu)閱屋S壓應力狀態(tài)，由于巖石單軸抗壓強度低，致使圍巖產(chǎn)生塑性破壞或沿節(jié)理弱面破壞、隨著錨固巖體的變形、離層和彎曲，巷道中部的錨桿始終受力，若錨桿的長度、剛性越大，會使之受力越大，錨桿受力即可達到強度極限而破壞，則巖層發(fā)生破壞。4 復合頂板錨桿支護設計4.1 復合頂板錨桿支護機理復合層狀頂板在層狀巖層中開拓的巷道與均質(zhì)的巖層中明顯不同，巖層的層面有三種主要性質(zhì)對開采是很重要的。第一，垂直于巖層層面的抗拉強度低，個別出現(xiàn)明顯裂隙的地方甚至為零。第二，是層面的抗剪強度比完整的巖層低。第三，是這類煤層

7、中開掘巷道多不破頂，這三個特性決定了層狀巖層對下煤層中開掘巷道產(chǎn)生的特殊力反應。對于層狀煤層體中開掘巷道，其支護原則是：第一，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，即完整性，尤其是頂板；第二，是采取措施提高圍巖的強度。而滿足這兩個要求的理想支護就是錨桿支護，這時通過錨桿提供的錨固力和預緊力，各層巖層被組合形成組合梁，一起發(fā)生彎曲變形。層狀巖層在產(chǎn)生彎曲變形后，很容易產(chǎn)生順層滑，這時借助于錨桿提供的抗剪力、抗拉力以及由于錨桿作用，而使層面摩擦力增加，使巖層間的滑動得以控制。4.2 復合層狀頂板支護特點分析21綜采面回采巷道沿8煤頂板掘進，由圖1可知8煤頂板多數(shù)為復合頂板結(jié)構(gòu)，巷道由外向里偽頂厚度逐漸增大，偽頂

8、破碎極易離層形成網(wǎng)兜。巷道頂板的砂質(zhì)泥巖上部為含水砂巖層，當頂板有裂隙、構(gòu)造或錨索孔通達砂巖層時，頂板淋水，造成頂板泥巖膨脹和強度弱化，泥巖的膨脹變形會在錨索上產(chǎn)生巨大的載荷，同時頂板淋水還會使錨桿和錨索發(fā)生銹蝕，降低其承載力。另外對于松軟的復合頂板，由于彈性模量小，積蓄于頂板巖層內(nèi)的地層壓力將會以形變壓力的形式全部或大部分釋放出來，礦壓顯現(xiàn)明顯。根據(jù)復合頂板巷道支護難點提出如下技術(shù)對策： 采用錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護，以加強淺部頂板的建梁與加固作用，保證錨桿和錨索的錨固力在頂板巖層內(nèi)的連續(xù)傳播和有效錨固； 為了防止復合頂板離層、破碎而造成頂板冒落，應盡可能提高錨桿和錨索支護的組合性，同時提高

9、背護作用，以提高錨桿和錨索的外錨強度，加強頂板支護的整體性； 根據(jù)錨桿、錨索的變形能力匹配需要，合理確定錨桿和錨索的預緊力； 對于頂板砂巖水，采取超前打鉆孔探放，或者調(diào)整錨、梁、網(wǎng)支護參數(shù)，或者采用架棚等有效方式支護，并對礦壓顯現(xiàn)進行觀測，根據(jù)觀測結(jié)果調(diào)整優(yōu)化支護參數(shù)。4.3 錨梁網(wǎng)支護參數(shù)確定巷道斷面設計為寬4.8m、中高3.2m。根據(jù)巷道工程地質(zhì)條件，采用組合梁理論和工程類比法確定21回采巷錨、梁、網(wǎng)+錨索支護參數(shù)。頂板錨桿直徑20mm、長2500mm，安裝深度2400mm，用2卷Z2380型樹脂錨固劑卷錨固，錨固長度不小于1000mm，錨桿安裝預緊力矩不小于100Nm，錨桿錨固力不小于1

10、20kN，錨桿間排距為840800（mm）；用12#槽鋼作梁，配合M5鋼帶；金屬網(wǎng)用l2#鍍鋅鐵絲機械編制，網(wǎng)孔小于5050（mm）。頂板錨索鉆孔直徑均為27mm，錨索為18mm、長6300mm的鋼絞線，錨索安裝深度6000mm，用3卷Z2380型樹脂錨固劑，錨固長度1800mm，錨索安裝預緊力不小于50kN，錨索錨固力200kN，錨索間排距為1600800（mm）。兩幫錨桿直徑18mm、長1800mm，安裝深度1700mm，用1卷Z2380型樹脂錨固劑卷錨固，錨桿安裝預緊力矩不小于60Nm，錨桿錨固力不小于50kN，錨桿間排距為850800（mm）；鋼帶為3mm鋼板條，金屬網(wǎng)用l2#鍍鋅鐵絲

11、機械編制，網(wǎng)孔小于5050（mm）。21綜采面回采巷道支護形式如圖2所示。圖2 21綜采面回采巷道支護示意圖5 支護效果分析根據(jù)上述支護設計方案進行現(xiàn)場工業(yè)性實驗，具體監(jiān)測方案如下：沿實驗巷道走向每隔30m布置一條測線，監(jiān)測范圍120m，在每條監(jiān)測線內(nèi)，分別安設頂板離層儀1個、錨桿測力計3個，巷道頂板及上、下幫各布置1個巷道圍巖表面變形基點，本試驗在實驗順槽錨桿支護段設置了多個觀測斷面，分別對巷道表面位移、頂板離層、錨桿錨固力等情況進行了連續(xù)觀測，觀測時間長達110天，由觀測結(jié)果可分析巷道圍巖變形規(guī)律與錨桿支護效果。圍巖變形包括頂板下沉、兩幫移近等，觀測結(jié)果如圖34所示。圖3 巷道頂?shù)装?、兩?/p>

12、移近量曲線 圖4 巷道頂?shù)装?、兩幫移近速度曲線根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，工作面回采期間巷道表面變形量觀測結(jié)果如下：回采期間巷道由于受超前采動支承壓力影響，巷道圍巖變形較掘進期間明顯劇烈?；夭善陂g巷道頂?shù)装謇塾嬕平繛?20mm，兩幫累計移近量為350mm，在此期間巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笞冃嗡俣确謩e達到22mm/d、18.5mm/d。巷道受工作面超前支承壓力影響范圍為4060m，劇烈影響范圍為1525m。觀測結(jié)果表明，回采期間巷道變形量和變形速度比掘進期間大，這主要受工作面采動影響所致?？傊?，巷道頂、底板和兩幫的相對移近量及移近速度都很小。6 結(jié) 論 巷道從掘進到回采歷時1年多時間，巷道未發(fā)生冒頂、片幫事故，

13、巷道頂板沒有出現(xiàn)離層、破碎、下垂及網(wǎng)兜現(xiàn)象，頂板錨桿和錨索基本上無損壞，巷道圍巖穩(wěn)定?；夭善陂g，巷道安全、暢通，工作面上出口斷面積始終保持在8m以上，無需任何維修，完全可以滿足生產(chǎn)、使用要求。 通過對試驗巷道的礦壓觀測，初步掌握了復合頂板錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。試驗巷道的礦壓觀測結(jié)果表明，該巷道圍巖變形主要發(fā)生在回采期間，因此為了減小巷道變形量，回采期間，應采取超前加強支護措施，并擴大超前支護的范圍，以期減輕回采期間的巷道變形量。試驗表明，在東海礦北區(qū)回采巷道中，采用由錨桿、錨索與槽鋼組合而成的錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護形式是合理的，所選用的主要技術(shù)參數(shù)是安全的。試驗研究的錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護形式及其主要技術(shù)參數(shù)可在類似地質(zhì)條件的巷道中推廣應用。參考文獻1 康紅普，林健.我國巷道圍巖地質(zhì)力學測試技術(shù)