松软破碎复合顶板巷道护帮锚杆支护技术研究

杨乃贵

(山西焦煤西山煤电集团公司生产技术处)

松软破碎复合顶板巷道护帮锚杆支护技术研究

杨乃贵①

(山西焦煤西山煤电集团公司生产技术处)

针对复合顶板锚杆巷道在使用期间,经常发生锚杆被拉断、拉脱失效、片帮冒顶的现象,指出了护帮支护的意义,分析了复合顶板巷道矿压特点,对高强度复合材料锚杆进行了试验研究,并提出了结论和建议。

复合顶板;护帮;锚杆支护;高强度复合材料;研究

复合顶板锚杆巷道在使用期间,严重影响了巷道的正常使用,是目前锚杆支护在复合顶板煤巷中难以推广的重要原因。

长期以来,人们非常重视对顶板锚杆支护技术的研究,现在高强度全长锚杆被广泛应用,而对煤帮锚杆支护技术却重视不够,所使用的木锚杆或竹锚杆锚固力极低。事实上,复合顶板巷道的垮落破坏,往往是从煤帮的破坏开始的。因此,本文从煤帮支护的角度出发,对复合破碎顶板锚杆支护技术进行探讨。

1 复合顶板巷道矿压分析

复合顶板是指煤层顶板由不同岩性的较薄层状岩层组成,软硬岩层间常夹有煤线或软弱岩层(如泥岩、炭质页岩等),下部软岩层的厚度一般在0.5～2.0 m之间,且所在煤层强度也较低。其特点是,巷道顶板易离层冒落,煤帮压力大易片帮,维护困难。

1.1 巷道矿压特点

在复合顶板煤层中,巷道掘出未支护前,应力重新分布,巷道周边产生应力集中现象,顶板岩层下沉、挠曲,从弱面离层,进而折断形成近似倒三角形冒落区(见图1),其冒落高度为:

式中:

B—巷道跨度,m;

α、β—顶板折断线与岩层交角,(°)。

顶板压力等于三角冒落区石重量,则巷道顶板压力为:

式中:

r—岩石容重,g/cm3。

图1 未支护条件下巷道矿压计算简图

巷道两煤帮由于受垂直应力、离层顶板变形应力及顶板压力的影响,煤帮被压酥变形,出现塑性变形区,煤体强度降低产生片帮。此时,顶板实际支撑跨度由;B值增加为B′值,顶板三角冒落高度值h随之增高为h′,顶板压力随之增加为p′,即:

由于煤帮的破坏,引起了顶板三角冒落区扩大,顶板压力增高,顶板再次冒顶,以此反复,直至巷道冒落为止。

1.2 锚杆支护条件下的矿压特点

巷道掘出后,及时进行锚杆支护,使顶板岩层得到加固形成组合构梁(见图2)。靠近两帮的角锚杆已深入到三角冒落区之外,既有组合梁的作用,又有悬吊的作用,减轻了梁对煤帮边的压力,也兼有护帮的作用。跨中锚杆只有组合梁的作用。这时组合结构梁上的载荷仍可视为整个三角冒落区全部岩石的重量。即:

图2 顶、帮支护条件下巷道矿压计算简图

1)煤帮不支护条件下矿压特点。在煤帮不支护条件下(图3),锚杆组合结构梁的形成,使顶板变形应力减小或消失,煤帮主要承受顶板压力和垂直应力。由于煤帮不支护且强度低,随着时间的推移,塑性变形区不断变大,丧失强度或片帮。此时,由于巷道跨度B值的增加,引起顶板三角冒落区高度h和顶板压力P值的升高。升高的顶板压力P对煤帮作用,继续引起三个值的连锁升高,当顶板压力超过顶板组合结构梁承载能力时,顶板首先从锚杆间拉应力区遭破坏,使锚杆失效丧失锚固力,或因局部锚杆受力增高而被拉断、拉脱,发生片帮、冒顶事故。

图3 煤帮无支护条件下巷道矿压计算简图

2)煤帮支护条件下矿压特点。在巷道掘出后,同时及时支护顶板、煤帮,利用有效的锚杆群对煤帮进行挤压加固,提高煤体的粘结力和内摩擦力,阻止煤帮的塑性变形,增强煤帮的强度,使之形成承载结构体。把巷道围岩整体承载结构体的应力状态的变化控制在最小允许范围,达到整体支护效果。

2 锚杆护帮问题分析

围岩既是载荷,又是承载体。锚杆支护理论就是立足于化载荷为承载体,变被动为主动观点之上的。但是,目前复合顶板巷道锚杆护帮效果不理想,问题比较多,其原因有:

1)人们对煤帮锚杆支护技术重视不足,研究不够,缺乏有效的理论和设计方法。2)复合顶板巷道多为回采巷道,而现所使用的木、竹可切割锚杆,材质差,强度低,锚固力仅为10～20 kN,品种单一,不能满足煤帮支护的需要。因此,要研究开发高强度复合材料锚杆,不仅能满足煤帮支护需要,而且实现可截割,保证生产安全。

3 高强度复合材料锚杆工业性试验情况

3.1 锚杆锚固力抽检

在100余次的锚杆锚固力抽检中,共出现了1次抽检不合格,造成该现象的原因是:该段煤层受到地质构造影响,非常酥软,树脂锚固剂与钻孔壁的粘结效果极差。采取的补救办法是在该段不合格锚杆附近重新补打锚杆。

锚固力抽检结果表明,锚杆满足了设计要求。

3.2 锚杆预紧力矩检验

巷道掘进施工过程中,在锚杆完成安装后,每小班有专人用力矩示值扳手对锚杆螺母预紧力进行一组(3根)抽测。经过抽检,使用锚杆钻机安装的锚杆,其螺纹处基本上都达到了设计规定的预紧力矩40 N·m,并且没有发生破坏。

3.3 锚杆预紧力矩检验

巷道两帮移近量。通过用“十”字法观测安装玻璃钢锚杆侧巷道帮部的相对移近量,得出观测曲线,见图4,图5。

由图4可知,回采工作面超前巷道围岩变形范围为57 m,距工作面5 m时巷道围岩变形值最大,其顶板和两帮移近量分别为200 mm、180 mm;由图5可知,回采工作面超前巷道围岩变形范围为57 m,距工作面5 m时巷道围岩变形值最大,其顶板和两帮移近量分别为340 mm、240 mm。

4)锚杆可切割情况观测。复合材料锚杆在滚筒割煤过程中,能够很容易地被切割,没有发生与截齿碰撞产生火化的现象。

全螺纹高强度可截割复合材料锚杆2005年先后开始在官地矿、东曲矿的回采工作面煤壁侧进行试验,试验期间,对全螺纹高强度可截割复合材料锚杆的锚固状况、锚杆预紧力、锚杆拉拔力、锚杆可截割情况以及锚杆支护巷道进行了矿压观测。实践证明:

a)该锚杆不仅满足了采煤机可截割问题,解决了原金属锚杆两帮支护采煤机截割时易产生火花,给安全带来隐患,或提前回撤锚杆既不安全,劳动强度又大等弊端,加快了工作面推进速度,提高了工作面单产。b)该锚杆强度高,支护效果好,西山矿区10对生产矿井以及汾西、阳泉、煤气化、柳林等单位推广应用近60万套,支护巷道近15万m,经现场观测,完全达到金属锚杆支护效果,有效控制了巷道变形,满足了生产需要。c)该锚杆重量轻,操作方便,适应范围广,具有很好的推广价值。

4 结 论

综上分析,对复合顶板锚杆巷道煤帮支护技术有如下结论和建议。

1)煤帮支护,是整个巷道支护系统的重要内容,提高巷道煤帮支护技术,是改善巷道整体支护效果的关键。

2)顶、帮支护相互作用,相互影响。煤帮支护效果,直接影响顶板支护系统的有效性和稳定性。

3)改善煤帮应力状态,提高煤帮自稳和自承能力,是煤帮锚杆支护设计的出发点。

4)及早护帮,及时向煤帮提供侧向力,充分利用三向受压条件下的煤体强度最高的特点,有效控制煤帮的变形,是锚杆护帮的要点。

5)加强煤帮支护理论的研究和煤帮锚杆新产品的开发,是提高护帮效果的关键。

6)两帮承压非对称的巷道,应采用不同类型锚杆或不同密度的锚杆进行非对称支护。

7)改进掘进方式(如掘进机掘进),减小对煤帮的震动;抓好掘进成型,提高煤帮的平整度,降低煤帮的应力集中程度。8)在满足巷道使用条件的前提下,尽可能减小巷道跨度。

Research on Support Technology of Sidewall Bolt in Soft Broken Composite Roof Roadway

Yang Nai-gui

According to the situations of bolt being broken or damaged occurred in the roadway with composite broken roof,this paper points out the importance of the sidewall support,analyzes the mine strata characteristics,testes the support technology of bolt with high strength composite materials,and provides a conclusion on it.

Composite roof;Coal side wall support;Bolt support;Bolt with high strength composite materials

book=6,ebook=7

TD353.6

B

1672-0652(2010)06-0021-03

2010-04-11

杨乃贵 男 1957年出生 1994年毕业于山西矿业学院 工程师 太原 030053