交子里新建盘区巷道锚杆支护实践

冯来荣

(山西汾西矿业集团新柳煤矿,山西孝义 023000)

交子里新建盘区巷道锚杆支护实践

冯来荣

(山西汾西矿业集团新柳煤矿,山西孝义 023000)

Anchored Bolt Supporting of Roadway in New Panel of JiaoziliColliery

简述了锚杆支护的方案及高预应力锚杆支护原理,针对交子里新建盘区受到小煤窑破坏围岩地质条件,在首采 1105工作面采用高预应力锚杆支护试验,根据现场实测数据分析可知,采用高预紧力锚杆 (索)支护有效地控制了巷道围岩的变形,支护效果明显。

新建盘区;首采面;巷道支护;锚杆支护

新柳煤矿新建的交子里盘区主采 11号煤层,与上部 10号煤层层间距约 2.0m。交子里盘区周边分布很多地方小煤窑,主采 10号煤层,对 10号煤层造成了严重的破坏。加之缺乏详细的小煤窑开采资料,对 10号煤层的开采范围和破坏状况没有具体的判断。因而,下部 11号煤层工作面布置和巷道支护存在很多技术难题。新建盘区遭受小煤窑破坏严重,巷道掘进必然遭遇小窑破坏区,而且多数地段处于近距离小窑采空区下,巷道支护成为新建盘区开采的技术难题。

1 高预应力锚杆支护

1.1 锚杆支护方案

锚杆预应力是区分主动支护,还是被动支护的关键参数。只有及时给锚杆施加较高的预应力才能发挥主动支护的特性,低预应力锚杆支护仍然处于被动支护的范畴。

锚杆预紧力设计的原则是控制围岩不出现明显的离层、滑动与拉应力区。实践证明,如果选择合理的预紧力值,能够实现对离层与滑动的有效控制。根据国外的经验,以及国内部分矿区的试验数据,结合我国煤矿巷道条件和施工机具,一般可选择锚杆预紧力为杆体屈服载荷的 30%～50%。

交子里新建盘区主采 11号煤层,采高平均4.3m,采用综放开采,工作面巷道断面比较大,综合比较首选锚杆支护为最佳方式。但前提条件是,必须及时给锚杆施加高预应力。因此,提出交子里盘区巷道支护方式为锚杆支护,并且需要给锚杆提供较高的预应力。

1.2 高预应力锚杆支护原理

巷道围岩一般在 0～2.5m范围内产生第一张拉区,该区域内岩石的黏聚力 C、内摩擦角φ、弹性模量 E等均有较大程度的下降。高预应力锚杆安装后可以及时、有效地控制围岩第一张拉区的发展,维护巷道围岩的稳定。

要维护巷道空间的稳定,必须限制围岩的进一步变形,即限制剪胀变形的发展。高预应力锚杆正是在巷道开挖完成后及时给巷道围岩施加较高的支护反力,限制巷道围岩的早期变形和表面松动、掉落,有效控制巷道围岩剪胀变形的发展。预应力锚杆的早承载、快承载的特点,恰好满足了主动支护中时效性的要求。这可以通过预应力锚杆的支护特征曲线得到很好解释,如图 1所示。

图1 预应力锚杆支护特性曲线

预应力锚杆对巷道围岩提供的支护荷载主要由2部分组成,即张拉荷载和变形荷载。其支护特征方程可以表示为:

式中,σr为预应力锚杆施加在巷道壁上的平均径向压应力,MPa;pr为单根预应力锚杆的张拉荷载,kN;K为预应力锚杆的刚度,kN/m;Δur为巷道围岩的径向位移,m;a,b为预应力锚杆的间、排距,m。

由上式可知,预应力锚杆的初始锚固力主要来自于锚杆的初始张拉荷载,属于主动支护形式。而且根据需要,预应力锚杆可以提供较高的支护反力,达到控制围岩剪胀变形发展的目的,减少和消除巷道离层的发生。

预应力锚杆为巷道围岩表面提供的支护抗力,改变了巷道开挖边界的约束性质,将开挖后的巷道围岩由二向受力状态向三向受力转变,使得开挖边界由自由表面变为受到锚固约束力的非自由表面。这种由预应力锚杆所提供的附加位移,由于其方向与岩体松动方向相反,可以有效地阻止岩体松动的发展。预应力锚杆对围岩体松动的约束和削弱,将使巷道围岩强度的降低受到延缓与遏制。同时,高预应力锚杆对于提高巷道顶板承载能力和控制顶板位移具有重要的作用。

2 井下工业性试验

2.1 试验工作面地质概况

交子里盘区首采 1105工作面,开采 11号煤,无伪顶,直接顶为页岩、砂页岩,厚 1.92m,灰黑色、性脆,抗压强度 38.9MPa,基本顶为 K2灰岩,厚 5.0m,致密、坚硬,抗压强度 94MPa。直接底为页岩,厚 5.0m,深灰色、性脆,遇水变软膨胀,抗压强度 14.7MPa。岩层柱状见图 2。

图2 岩层分布柱状

交子里盘区 1105工作面总体呈一背斜构造,轴部位于工作面前半部,运巷距设计停采线约160m,轴向约 N80°,背斜两翼煤层倾角约 11°,工作面后半部煤层较缓,倾角约 1°,总体平均约4°,属近水平煤层。

矿井瓦斯相对涌出量 1.19 m3/t,绝对涌出量1.615m3/min,煤层自然发火期 6～12月。

2.2 巷道支护参数设计

考虑到首采 1105工作面巷道在掘进过程中设备尺寸、通风要求和巷道围岩变形预留量,设计1105工作面巷道断面为矩形,巷道宽 4200mm,高3000mm,掘进断面为 12.6m2。

顶板布置 5根 20号左旋无纵筋螺纹高强锚杆,长 2200mm,间排距 900mm×900mm;采用 1支K2355和 1支 Z2355锚固剂锚固,并使用厚度3mm,宽度 280mm的W钢带,以及 12号铁丝编织的菱形网护顶,网格为50mm×50mm。

顶板布置单根 1×7股 <15.24mm锚索,长度6300mm,采用 2支 Z2355和 1支 K2355的锚固剂锚固,排距 1800mm,采用三花布置方式,托板规格为300mm×300mm×16mm。

两帮采用 16号普通圆钢锚杆,长度 1600mm,每排 3根,间距 1000mm,每根 1支 Z2355锚固剂端部锚固;采用 <14钢筋和网孔 50mm×50mm的金属网护帮。

2.3 关键支护参数设计

交子里盘区巷道受到小窑破坏,巷道围岩比较破碎,且压力大,井下施工必须按照设计要求执行,支护设计中具体的关键参数有:

(1)顶板锚杆的初始预紧力矩 300N·m,两煤帮锚杆初始预紧力矩 100N·m。

(2)顶板锚索的初始预紧力≥150kN。

(3)顶板锚杆的锚固力≥100kN,两帮锚杆的锚固力≥50kN。

2.4 矿压观测

井下试验阶段进行了矿压观测,现场实测数据曲线,见图 3和图 4。

巷道矿压观测表明,两帮移近量不超过150mm,顶板下沉量不超过 140mm,断面收缩率控制在 10%以内;顶板锚固区离层控制在 8mm之内,锚固区外离层控制在 5mm之内,采用高预紧力锚杆 (索)支护有效地控制了巷道围岩的变形,支护效果明显。

3 结束语

(1)锚杆施加高预紧力能提高锚固区内的力

图3 巷道顶板离层曲线

图4 巷道表面位移曲线

学参数,增大黏聚力和内磨擦角,提高临界载荷值。

(2)从巷道掘进阶段分析,井下试验巷道提供的初始设计是较合理的,根据不同地质条件和生产要求,进行了多次修改,支护效果理想,能达到技术指标要求。

(3)对于交子里盘区巷道支护,如能提高巷帮支护强度,有望减小支护密度,提高掘进速度。特别是对于受小窑破坏严重的巷道,必须解决在掘进过程中一次支护成功。

(4)锚杆预紧力矩和锚固力是保证支护充分发挥作用的 2个关键因素,应作为巷道竣工验收和矿压监测的重要指标。

(5)高预应力锚杆支护有效地控制了巷道围岩的强烈变形,满足了矿井安全生产的要求,为交子里盘区后续巷道支护提供了有力的技术支撑。

[1]康红普 .深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践 [J].煤矿开采,2008(1):1-5.

[2]范明建,康红普 .锚杆预应力与巷道支护效果的关系研究[J].煤矿开采,2007(4):1-3,17.

[3]康红普 .煤巷锚杆支护动态信息设计法及其应用[J].煤矿开采,2002(1):5-8.

[责任编辑:林 健]

TD353.6

B

1006-6225(2010)03-0073-02

2010-03-02

冯来荣 (1962-),男,山西交城人,工程师,长期从事煤矿生产技术管理工作,现任山西汾西矿业集团新柳煤矿矿长。