复合顶板大跨度切眼锚网(索)支护技术研究应用

王海宁杨云龙奚家米陈新年田俊蜂

(1.澄合矿业有限公司二矿公司,陕西省渭南市,715208;2.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西省西安市,710054)

复合顶板大跨度切眼锚网(索)支护技术研究应用

王海宁1杨云龙1奚家米2陈新年2田俊蜂2

(1.澄合矿业有限公司二矿公司,陕西省渭南市,715208;2.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西省西安市,710054)

以澄合二矿24506大跨度切眼断面锚杆(索)支护项目为工程背景,运用理论计算、数值分析和现场监测相结合的手段,对复合顶板大跨度切眼支护技术进行了研究和现场实践,得出复合顶板大跨度切眼支护较为合理的支护参数。

复合顶板 大跨度开切眼 锚网索支护 支护参数

随着煤矿开采深度的增加,巷道地质条件更为复杂,出现复合顶板的煤矿巷道更为常见。在这种地质条件较差的复合顶板巷道中采用大跨度切眼开采,给巷道的支护带来了更大的难度。为此需要现场的设计和施工人员根据不同的地质情况提出合适的支护参数,才能保证煤矿安全、高效生产。

1 复合顶板大跨度切眼支护参数设计研究

复合顶板巷道围岩为差异性很大的非均质层状赋存,在围岩应力作用下表现为顶板极易离层、冒落,难以形成自承载结构,顶板、两帮变形相互作用,形成恶性循环。在这种地质条件采用大跨度切眼开采,传统的被动支护不能满足巷道的稳定要求。因此针对复合顶板大跨度切眼,设计合理的锚网索支护参数,才能有效保证巷道的稳定性、安全性。

根据复合顶板的破坏特征和地质特点,大跨度切眼巷道支护设计采用工程类比、理论计算、围岩松动圈的测定、数值模拟和现场监测的手段进行设计研究。根据初始设计和现场实践的信息反馈不断调整设计参数,以获取最优化的设计方案。

1.1 设计方法

(1)工程类比法。根据要设计巷道的地质条件,通过类比相似地质条件的巷道支护设计,得出初步的支护方案。

(2)顶板悬吊理论计算。根据顶板复合层的厚度来确定顶板冒落拱的高度,采用理论公式进行设计计算。

(3)数值分析验证设计法。采用FLAC软件对初始设计后的巷道进行稳定性分析,通过不断的分析,调整设计支护参数,从而得到较为合理的支护参数。

本文先采用工程类比和悬吊理论计算法对24506工作面切眼进行支护设计计算,然后根据现场工程实践和数值分析对设计参数进行分析。

1.2 参数设计

参数设计包括锚杆、锚索的长度及间排距,支护材料选择,支护效果监测,参数修改,完善锚杆支护设计。然后根据矿压信息,不断修正设计,以达到参数的最优化。同时对支护后的巷道顶板进行变形监测,预测顶板危险区域,采取措施,消除安全隐患。

2 工程实例

2.1 24506切眼概述及岩层特性

24506工作面位于澄合二矿二水平四采区中部,四周均为实区,东距矿界144 m,西与四采区各大巷、轨道上山、带式输送机上山相通。工作面走向长度为633 m,倾向长度为149 m。24506工作面煤层顶底板岩性及强度特性见表1。

表1 24506煤层顶底板岩性及强度特性

2.2 24506大跨度切眼巷道初步设计

图1 切眼支护方案

根据24506大跨度切眼巷道的岩层物理力学参数和实际的地质情况,应用理论计算及分析,采用工程类比法和理论计算相结合的方法,支护参数设计如下,具体的支护形式见图1。

开切眼沿顶板掘进,切眼长度为102 m,全部为锚网索梁支护形式,巷道断面形状为矩形,尺寸6.6 m ×3.2 m(宽 ×高)。

顶部支护时每个断面使用10根DQM 20mm×2200mm等强高效锚杆,锚杆间排距800mm×800mm,挂菱形铁丝网,沿巷道方向顶部每2.4 m打一排锚索,锚索规格ø17.8mm×6000mm,间距1.6m,每排4根。

帮部支护使用DQM 20mm×2000mm等强高效锚杆,间排距800mm×800mm,挂铁丝网,东西帮部每排各4根。切眼中部采用3.3 m工字钢点柱进行补强支护,顶部用800mmπ梁接顶,点柱间距为800mm,掘扩切眼时,必须超前10 m进行点柱支护。

2.3 FLAC数值模拟分析

根据24506切眼地层及水文地质综合柱状图,用FLAC计算软件分别建立巷道模型。

因巷道的开挖仅对距巷道中心点3～5倍开挖半径范围内的煤岩层影响较大,所以确定模型宽50 m,高30 m,围岩及煤层变形破坏都采用莫尔-库仑屈服准则。模型范围内围岩共4层,主要为粉砂岩、沙质泥岩、泥岩和煤,模型按实际围岩分布建立,围岩物理力学参数见表2。

计算地面以下400 m处的初始应力值,将此值加到模型上。施加位移边界条件,模型上边界X方向位移固定约束,Y方向自由;下边界X方向固定,Y方向自由。

表2 围岩物理力学参数

数值模拟结果见图2和图3,锚杆(索)支护后巷道顶板最终沉降量为42mm,底臌量较小;水平方向的两帮移近量为35mm,巷道的竖向变形量和水平变形量均在可控和安全的范围内。通过数值模拟结果分析,可以初步确定锚杆(索)支护参数选取的合理性。

2.4 24506巷道现场监测及稳定性评价

对工作面试验段,每30～50 m设置综合矿压监测站1个,观测顶板的变形量。在24506切眼巷道围岩深部共进行4个测站的全过程监测,每40 m布置一个观测站,采用九点顶板离层位移计进行顶板离层监测,观测巷道长度155 m,数据分析见图4、图5、图6和图7。

经过对24506切眼巷道4个监测站长达4个月的实时监控得出,该支护形式下顶板的最大变形量为52mm,日最大沉降速率为18mm/d,平均沉降速率都不超过0.5mm/d,变形量都符合巷道支护变形设计要求,均在允许的范围之内,通过这种实时监测可以看出,24506煤层巷道切眼巷锚杆支护参数优化方案是安全可行的,针对这种大跨度切眼模拟设计,可以根据实际的情况对支护参数进行进一步优化。

图7 4号点顶板沉降量

3 支护参数优化

通过数值模拟计算和现场试验巷道的监测,对复合顶板大跨度切眼锚网索支护进行进一步优化设计,设计方案如图8所示。

图8 优化后切眼支护方案

(1)东西两部分锚杆索布置方式调整。将原来的锚杆索单线型布置改成东西两部分交叉布置,这样有利于顶部复合顶板形成一个整体组合,受力更加均匀。

(2)调整顶锚杆。根据数值模拟和实测顶板位移,顶板变形量和两帮位移量较小,稳定性较好时,可将顶部锚杆减少1根。

(3)调整锚索。初期为了使煤层巷道安全有保证,锚索设计为矩形布置,根据数值模拟和实测顶板位移及实际检测结果,顶板下沉不大时,锚索间排距可适当优化,数量减少1根。

(4)锚索托板采用长1.0 m,孔径ø19mm的工字钢。施工时工字钢压住两边的“M”型钢带,见图8(a)。

4 结论

复合顶板大跨度切眼采用锚网索支护,能有效地控制围岩的变形。复合顶板大跨度切眼支护的成功实施,保证了综掘机一次性转弯成功,可使综采支架整架运输、采煤机各部件整体运输,并一次性安装到位,为增大采高,提高煤炭回收率创造了有利条件。

[1]韩瑞.复合顶板大断面巷道支护技术研究和实施[J].中州煤炭,2009(3)

[2]杨峰,王连国,贺安民,高峰,许东来.复合顶板的破坏机理与锚杆支护技术[J].采矿与安全工程学报,2008(3)

[3]赵平贵.大断面综采切眼支护技术[J].SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION,2007(19)

[4]李层林.浅析锚索在复合顶板支护中的作用[J].煤炭科技,2009(2)

[5]王立功.复合顶板下煤巷锚杆综合优化支护技术[J].能源技术与管理,2009(3)

[6]穆海洋,毕业武,蒲文龙.复合顶板回采巷道锚、梁、网+锚索联合支护技术[J].煤矿支护,2009(1)

[7]宁树山.锚杆组合支护在复合顶板大断面巷道的应用研究[J].同煤科技,2009(1)

[8]姬财柱,李德全,曹少娟.锚网索支护技术在综采切眼中应用[J].矿山压力与顶板管理,2005(2)

[9]石伟,徐信增,赵德国.托顶煤、软岩复合顶板大断面综放切眼的支护研究与应用[J].山东煤炭科技,2009(1)

[10]陈秀友,王健,周峰.复合顶板条件下煤巷锚、梁支护参数的确定[J].煤炭科技,2001(3)

(责任编辑 张毅玲)

Applications and studies of anchor(cables)supporting technology in large span cut of composite roof

Wang Haining1,Yang Yunlong1,Xi Jiami2,Chen Xinnian2,Tian Junfeng2
(1.The Second Mine Company of Chenghe Mining Co.,Ltd.,Weinan,Shaanxi 715208,China;2.College of Architecture and Civil Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxi 710054,China)

With the engineering background of Chenghe second coalmine 24506 long-span cut cross-section bolt support project,by combining of the theoretical calculation,the numerical analysis and the practical monitoring,the supporting technical research and analysis of site support monitoring in large span cut of composite roof are carried out,reasonable supporting parameters in large span cut of composite roof are obtained,experiences and references are provided for the future design of similar roadway.

composite roof,large span cut,anchor(cables)supporting,support parameters

TD355

B

王海宁(1965-),男,高级工程师,澄合矿业二矿公司总工程师。主要从事煤矿开采技术研究和管理工作。