大断面复合顶板高预紧力超强锚网索组合支护技术实践

2011-02-02常建波淮南矿业集团谢一矿安徽淮南232052

中国矿山工程 2011年4期

常建波（淮南矿业集团谢一矿，安徽淮南 232052）

1 地质概况

淮南矿业集团谢一矿5111B11b工作面标高-660～-720m，南至F13-4断层，北至F12-12断层，上阶段已采至-640m标高。走向长1 000m，倾斜宽182m，对应下伏的B10煤层5111B10工作面正在回采，5121B10已回采完毕。该工作面煤层走向为320°～330°，煤层倾角21°～24°。煤层赋存较稳定，B11b煤层厚度为3.0～5.6m（煤厚变化大,南段煤厚小,北段煤厚大,煤厚最大为5.6m，最小为3.0m），平均为4.3m，局部有一层夹矸,宏观煤岩类型为半暗型～半亮型，物理性质为黑色、粉末状、弱玻璃光泽～玻璃光泽、断口平坦。煤层顶底板情况见表1。

2 巷道支护特点

（1）埋深较深，埋深在680～740m左右。

（2）煤层较厚。根据地质勘探孔及石门揭露煤层资料显示5111B11b煤层厚度为3.0～5.6m，平均煤厚为4.3m，局部有一层夹矸，煤层硬度较小，两帮控制较为困难。

表1 煤层顶底板情况

（3）煤层顶板为复合顶板。5111B11b煤层伪顶为深灰色，富含丰富植物化石碎片的泥岩夹煤线，直接顶为灰色，致密的砂质泥岩，老顶为灰白色细砂岩。煤层顶板岩性变化较大，且为复合顶板，支护难度较大。

5111B11b工作面巷道支护设计属深井大断面厚煤层复合顶板围岩稳定性控制问题，该类巷道两帮及顶板的控制难度都很大，复合顶板的安全状况较差，为满足回采和安全的要求，拟采用高预应力超强锚网索组合支护技术。

3 锚杆支护参数设计

3.1 支护参数确定原则

（1）支护设计确保支护安全，避免在服务期间进行大面积维修。

（2）支护参数和支护材料规格具有较好的适应性和施工可行性，由于井下巷道围岩条件变化很大，从支护合理性考虑，可能出现多种支护参数和支护材料规格，但这不利于巷道施工和管理。因此，尽可能采用统一的支护参数和材料规格。

（3）支护设计要在保证支护质量的同时，有利于提高巷道掘进速度。

（4）在满足前三项原则的前提下经济合理。

3.2 确定巷道断面

考虑到该工作面采用综采方式回采，同时满足通风、运输、行人等安全生产的需要，并考虑一定的巷道变形量，5111B11b工作面设计上、下顺槽巷道断面均为斜梯形，净宽×中高=5.0m×2.8m；煤层倾角按22°计。顺槽巷道掘进时，以砂质泥岩为直接顶掘进施工，煤层所处位置以谢一矿望峰岗井考虑运输方便为宜。参考现有科技成果和工程实践经验，最终确定巷道采用树脂加长锚固强力锚杆锚索组合支护系统。

3.3 具体支护参数

3.3.1 顶板支护

①锚杆：杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋高强度锚杆，长度2.4m，螺纹长度为150mm，采用高强锚杆螺母M24×3。②锚固方式：树脂加长锚固，采用两支低粘度树脂药卷，一支规格为K2335，另一支规格为Z2360，钻孔直径为30mm。③采用W钢带护顶：钢带厚度4mm，宽280mm，长度5 100mm。④锚杆配件：采用高强托板配合调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，托盘规格为150mm×150mm× 12mm，承载能力不低于杆体极限拉断力。⑤网片规格：采用金属网护顶，规格为5 600mm×900mm，网孔规格50mm×50mm。⑥锚杆排距800mm，每排5根锚杆，间距800mm。⑦设计锚杆预紧力矩为300N·m。⑧锚索材料为ϕ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度8300mm，钻孔直径30mm，采用一支K2335和两支Z2360低粘度树脂药卷锚固。⑨锚索托盘：采用300mm×300mm×16mm高强度拱型可调心托板及配套锁具。⑩锚索排距800mm，每排2根锚索，间距2 400mm，锚索布置在钢带2#孔及5#孔位置，安装角度垂直于巷道顶板，安设位置见支护图1。○11锚索张拉力300kN。

3.3.2 巷帮支护

①锚杆形式和规格：杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋高强锚杆，长度2.5m，采用高强锚杆螺母M24×3。②锚固方式：树脂加长锚固，采用两支低粘度树脂药卷，一支规格为K2335，另一支规格为Z2360，钻孔直径为30mm。③W钢带规格：采用W钢带护帮，钢带厚度4mm，宽280mm,上帮钢带长度为3 500mm,下帮钢带长度为1 700mm。④锚杆配件：采用高强托板配调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，规格为150mm×150mm×12mm，承载能力不低于杆体极限拉断力。⑤网片规格：采用金属网护帮，网孔规格50mm×50mm，规格分别为3 800mm×900mm（上帮）和1 800mm×900mm（下帮）。⑥锚杆布置：上帮4根锚杆，间距为1 000mm；下帮为3根锚杆，间距为700mm。锚杆排距均为800mm。⑦锚杆角度：上帮第一根锚杆角度与水平方向向上倾斜25°，帮部底部锚杆与水平方向向下倾斜30°，其余锚杆垂直巷帮打设。⑧设计锚杆预紧力矩为300N·m。具体支护参数见图1所示。

图1 5111B11b顺槽支护断面图

4 锚杆与锚索支护机理

4.1 锚杆的支护机理

巷道开掘阶段顶板破坏范围较小，此时锚杆的作用主要是控制顶板下部岩层的滑动、离层、失稳。锚杆安装越及时，预紧力越大，则效果越好。以图2中的h1岩层为例进行分析。

图2 顶板锚杆的受力状况

式中：P0——锚杆预紧力，kN；

d——锚杆直径，m；

τ——锚杆抗剪强度，MPa；

n——每排锚杆数；

Dr——锚杆排距，m；

f——岩层问的摩擦系数；

l1——h1岩层宽度，m。

可见，锚杆预紧力越大，锚杆越粗，提供的抗剪锚杆安装后沿h1与h2层间增加的抗剪力τb为:力越大，h1与h2岩层间越不容易发生松动。即使h1与h2岩层之间的黏结力丧失，在水平应力作用下发生压曲，压曲临界载荷也会得到明显提高。因此锚杆明显减小了h1岩层压曲的跨度和约束条件。计算表明，预应力锚杆可使岩层压曲临界载荷提高到原来的4(n-1)倍多，显著减小了岩层失稳的可能性。相反，如果锚杆没有预紧力，则只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，不能控制在这以前顶板岩层的离层和失稳，预应力太小也不能起到良好效果。如果锚杆安装不及时，较大范围内的岩层已产生滑动、失稳、离层，岩层承载能力丧失很大，再安装锚杆，不能取得良好的锚固效果。

4.2 锚索支护机理

与锚杆相比，锚索具有锚固深度大、锚固力大、可施加较大的预紧力等诸多优点，是困难巷道工程支护加固不可缺少的重要手段。一般认为这种锚索主要起悬吊作用，锚索把下部不稳定岩层悬吊于上部稳定的岩层。根据以上分析的锚杆支护机理，锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的关键承载层相连，阻止因次生承载层失稳而引起的顶板垮落。同时，由于锚索可施加较大的预紧力，可挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。

5 矿压观测及结果分析

5.1 顶底板及两帮位移量

采用十字布点法安设表面位移监测断面，见图3。在顶底板中部垂直方向和两帮水平方向钻ϕ30mm、深400mm的孔，将ϕ30mm、长400mm的木桩打入孔中。顶板和上帮木桩端部安设弯形测钉，底板和下帮木桩端部安设平头测钉。两监测断面沿巷道轴向间隔0.6～1.0m。观测方法为：在C、D之间拉紧测绳，A、B之间拉紧钢卷尺，测读AO、AB值；在A、B之间拉紧测绳，C、D之间拉紧钢卷尺，测读CO、CD值；测量精度要求达到1mm，并估计出0.5mm；采用皮卷尺测量监测断面距掘进工作面的距离。测量频度为：距掘进工作面和采煤工作面50m之内，每天观测一次，其它时间每周1～2次。

图3 巷道表面位移监测断面布置图

（1）两帮移近量。上帮煤璧侧移近量较为明显，最大移近量为400mm，平均移近量为240mm，下帮煤璧侧最大移近量为200mm，平均移近量为100mm，两帮均无破坏现象发生。

（2）底板底鼓量。最大底鼓量为200mm，平均底鼓量为80mm。

5.2 顶板离层情况

锚网索支护开始掘进3～5m后，布点安装顶板离层仪。无构造区域顶板离层仪随巷道掘进每隔50m布置一个测站，构造带区域巷道适当加密布置，每1个测站内设两个测点。浅部基点2.5m，深部基点8m；其监测内容为：顶底板位移量、两帮位移量，全巷不少于2个全断面的支护载荷观测；并用挂牌标明，对于支护变更地段，交岔点、地质异常带、顶板破碎段适当增加。5111B11b顺槽顶板离层监测结果见图4所示。掘进期间锚固区内顶板离层值为14mm，顶板8m范围内总离层值不大于20mm，离层不大。通过分析对顶板离层监测结果分析顶板离层变化分为3个阶段：在掘进后10天，离层发展快速；10天后逐渐进入缓慢变形阶段；两个月后进入稳定阶段。锚网索支护有效控制了顶板离层，特别是在控制处于锚固范围外的符合破碎顶板的离层发挥了重要作用。