锚杆支护方沿空留巷围岩控制技术研究

2011-12-20李靖

城市建设理论研究 2011年23期

李靖

【摘要】：通过对沿空留巷围岩控制技术研究，提出了沿空留巷围岩控制技术研究方案，为沿空留巷围岩控制提供理论依据。

【关键词】：沿空留巷；围岩控制；技术研究

引言

沿空留巷可以极大的提高矿井资源回收率，并有效缓解矿井采掘接替紧张的现状。无煤柱开采技术现在成为矿井为了提高资源回收率而大力推广的主要技术之一，并在我国的许多矿区进行了推广和实践，且在近年来的矿井生产应用中取得了较好的技术和经济效益。近年来的无煤柱开采沿空留巷技术推广巷道支护方式多采用金属支架或混凝土砌碹支护等被动支护形式。金属支架及混凝土砌碹支护成本比较高，且矿井经过采动后，二次来压影响下巷围岩变形量较大，采用被动支护形式的巷道变形比较严重，使得巷道的支护及维护较差。锚杆支护作为一种主动支护方式，通过锚杆的轴向作用力，将围岩中一定范围岩体的应力状态由单向（或双向）受压转变为三向受压，从而提高其环向抗压强度，使压缩带既可承受其自身重量，又可承受一定的外部载荷，使其有效地控制围岩变形，使得沿空留巷的巷道能够保持原状，巷道的支护和维护效果也比较好，是一种较好的值得大力推广的主动支护方式。

1工程地质条件

锚杆支护沿空留巷试验地点设在山西省忻州市某矿井综采工作面运输顺槽，留巷后作为下一工作面回风顺槽，该工作面位于一700m东一采区，工作面上部为已回采结束的综采工作面。

综采工作面回采煤层为山西组9煤，煤厚0.8^"2m，倾角平均27.50，工作面走向长度323m，倾斜长120.6m;井下标高一689~一764m，地面标高+35.6~+36.2m，工作面埋深705~800m,工作面综合柱状见图1。

2沿空掘巷围岩控制基本原理

2．1沿空掘巷上覆岩体大小结构稳定性分析

巷道围岩的变形破坏是众多因素的综合反映．掘进前煤体受采场支承压力影响而发生了不同程度的变形，甚至破坏，巷道基本位于煤体塑性区，其整体力学性能较差，巷道掘进后，其顶板及两帮均为煤体，稳定性较差。

在一定开采及窄煤柱留设条件下，巷道围岩应力演化规律是造成沿空掘巷围岩变形破坏的主要外因。这主要取决于沿空掘巷上覆岩体大结构的稳定性。沿空掘巷上覆岩体大结构在掘巷及本工作面回采期间均不会发生失稳现象，为巷道采用锚杆支护提供了先决的外部条件，但上覆岩体大结构一定的回转下沉运动将会引起巷道围岩大变形的发生。此时，沿空掘巷的稳定性主要取决于巷道围岩采用锚杆支护时形成的小结构的稳定性，合理的锚杆支护技术是该类巷道支护成功的关键所在。沿空掘巷围岩大小结构见图2所示。

沿空掘巷的围岩属软弱破碎围岩，其变形具有大变形的特点，根据现场的实践及数值计算分析发现，解决该类巷道围岩稳定问题，必须在锚杆支护中重视以下两个极为关键的问题：锚杆足够的预紧力和足够的支护强度。

2．2沿空掘巷窄煤柱宽度确定

2．2．1窄煤柱合理宽度设计原则

（1）锚杆着力基础原则。窄煤柱采用锚杆支护时，煤柱的宽度至少应大于锚杆的长度，使锚杆能锚固在煤柱中，发挥锚杆支护作用。

（2）应力环境有利原则。将沿空掘进巷道布置于上区段工作面回采结束后形成的垂直应力相对较低的区域，有利于巷道围岩稳定控制。

（3）回收率高的原则。该类巷道采用锚杆支护时，当窄煤柱满足上述要求时。窄煤柱的宽度应尽可能小一些，这样对提高综采开采中煤炭的采出率是很有利的。

2．2．2工程经验类比方法

综采沿空掘巷的窄煤柱留设设计具有很强的工程特征，故其合理的窄煤柱留设宽度还应考虑工程中的一些要求。

（1）锚杆的安设基础。窄煤柱采用锚杆支护时。留设煤柱的宽度至少应大于锚杆的长度。现有条件下，锚杆的长度多在2m左右，考虑到保留一定的宽度富裕系数，故要求窄煤柱的宽度应不小于2．5m。

（2）锚杆安设的可操作性。在该条件下，锚杆支护中常会出现这样的问题。當窄煤柱破坏较为严重时，锚杆钻孔在凿出后不久会出现塌孔现象，致使锚杆的安装无法正常进行，故在实践中应予以考虑。

2．2．3窄煤柱留设宽度的最终确定

由以上分析可见，综采沿空掘巷采用锚杆支护时，窄煤柱留设宽度的确定应充分考虑以下问题。

（1）对沿空掘巷的窄煤柱留设来说，靠上区段工作面采空侧煤体中存在一定范围的破碎区，当在巷道侧窄煤柱中安设锚杆时。其宽度最好应能使锚杆位于采空侧所形成的破碎区之外，这样锚杆作用在较为稳定的煤体中，可以保证锚杆可靠的锚固能力。

（2）综采沿空掘巷的窄煤柱留设尺寸决定了巷道与上区段工作面回采空间的距离，从而决定了巷道受侧向支承压力的影响程度；同时，窄煤柱的留设尺寸也将直接关系到窄煤柱自身的承载能力。

由上述可知，窄煤柱留设宽度一般在4—5m左右时。巷道的变形要小一些。因此。从控制围岩变形量的角度出发。合理的窄煤柱宽度留设应在此值之间，故确定采沿空掘巷中窄煤柱尺寸留设为4．5m。

3巷内锚杆支护参数

为了搞清沿空留巷的巷内支护与围岩的相互作用关系，运用现代数值计算软件(FLAC软件)进行锚杆支护设计，比较锚杆支护和架棚支护对控制沿空留巷围岩变形的作用和效果，确定合适的支护方案和支护参数。分析数值模拟结果，决定采用锚杆支护作为巷内支护方式，以便在沿空留巷期间更好地控制围岩变形，维护巷道稳定。综采工作面胶带顺槽沿煤层顶板掘进，巷道上帮高3.2m，下帮高1.5m，宽3.6m，断面面积10m2左右。

(1)顶板采用018X1800mm的等强无纵筋螺纹钢锚杆，用CK2335,Z2335树脂药卷2支锚固，间排距800X800mm,铺设金属网和钢筋梯子梁。

(2)两帮采用016X1800mm圆钢锚杆，用CK2335一支、Z2335树脂药卷2支锚固，铁托板内加垫木托板，锚杆间排距800X800mm,铺设金属网。

(3)巷中施I一排锚索，(P15.24X7000mm,采用1支CK2335树脂药卷，2支Z2350树脂药卷锚固，间距4m,

(4)顶板锚杆锚固力80kN，两帮锚固力40kN，锚索初锚力在100^-120kN,

4巷旁支护参数

4.1巷旁支护阻力

随着回采面的推进，控顶范围扩大，引起基本顶破断、失稳，巷旁支护体具有的支护阻力应使基本顶沿巷旁支护体侧的弯矩达到极限弯矩，从而切断基本顶，根据回采的综采工作面的生产地质条件，计算得到巷旁支护体的切顶阻力为6660kN/m,

4.2巷旁支护材料

为减少充填材料的制作、运输环节，降低成本，用水泥、煤为原料加水混合后作充填材料。在保证支护体强度达到切顶阻力要求的前提下，尽量减少水泥的用量，降低充填成本。通过实验室试验确定水、水泥、煤的质量比为2;3;7，试块第三天强度可以达到4.66MPa。根据巷旁支护体的切顶阻力及充填材料的力学性能，确定巷旁支护体宽1.5m。

5矿压观测结果及分析

文中“-”表示测站在工作面后方;“+”表示测站在工作面前方。“上帮”指靠近采空区侧，“下帮”指靠近实体煤侧。

工作面前方巷道围岩变形见图3、图4。由图3,4可见，回采工作面超前支承压力剧烈影响范围20m.工作面后方巷道围岩变形见图5、图6。构筑巷旁支护体后巷道围岩变形大致分为四个阶段：

第一阶段：0~-10m范围，采空侧由单体液压支柱支护，由于离工作面相对比较近，顶底板的相对移近比较平缓，移近量较小。

第二阶段：-10~-40m范围，巷道受到工作面周期来压的影响，沿空留巷上覆岩层活动剧烈，巷道围岩变形剧烈，不论上帮还是下帮，相对移近速度最大达9mm/d以上，在该范围内围岩变形速度达到最大值，尽管如此，与传统巷旁支护方式如歼石带、木跺等相比较，巷道围岩相对移近量较小。

第三阶段：-40~-80m范围，巷道围岩活动程度减弱，顶底板相对移近量与移近速度均较小。

第四阶段：-80m以后围岩变形趋于稳定，相对移近速度:上帮侧顶底板为0.3mm/d，下帮侧顶底板为0.6mm/d，两帮为0.4mm/d，已经基本趋于稳定。

总体来说，巷内采用高强度锚杆支护强化围岩，配合有效的巷旁支护，控制了沿空留巷围岩剧烈变形。

6结语

锚杆支护整体浇注巷旁支护沿空留巷工业性试验的成功，为我国煤矿开采减少资源浪费、改善巷道维护状况、解决采掘接替紧张间题提供了一种新的技术保障手段，具有广阔的推广应用前景。

参考文献

[1]阚甲广，张农，李桂臣，等．深井大跨度切眼施工方式研究【J]．采矿与安全工程学报，2009，26(2)．