复杂地质条件下大断面切眼支护技术

2012-09-09王中奎李光营

采矿与岩层控制工程学报 2012年4期

关键词：离层锚索锚杆

何杰，王中奎，李光营

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.山西潞安环能股份有限公司五阳煤矿，山西襄垣046100; 3.中国煤炭科工集团，北京100013)

复杂地质条件下大断面切眼支护技术

何杰1，王中奎2，李光营3

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.山西潞安环能股份有限公司五阳煤矿，山西襄垣046100; 3.中国煤炭科工集团，北京100013)

Technology of Open-off Cut Supporting with Large Section under Complex Geological Condition

五阳煤矿7605切眼断面尺寸大，地质条件复杂。为了解决该条件下切眼支护问题，分析了切眼支护技术难点，采用数值模拟研究大断面切眼变形特征，并掌握了围岩变形规律。基于高预应力强力支护理论，提出大断面切眼支护对策和方案，应用于井下。实践结果表明，设计方案能够有效控制围岩变形，保证了切眼正常使用。

复杂条件;大断面;切眼;高预应力;强力支护

五阳煤矿已进入深井开采阶段，随着埋深和巷道断面的变大，支护难度在增加，已掘巷道压力显现明显，围岩变形严重 (特别是回采巷道)，现有支护体系难以有效控制。7605切眼宽7.8m，高3.2m，是目前五阳煤矿最大断面切眼;受矿区天仓向斜轴影响，地质条件恶劣，围岩破碎，加上首次使用大断面切眼，缺乏经验。因此，7605切眼属于复杂地质条件下大断面困难条件下巷道支护，国内外对这方面有一些研究［1－3］，本文针对该条件下围岩特征、控制难点、对策和方案进行分析，解决其支护难题。

1 大断面切眼工程概况及支护技术难点

1.1 工程概况

地质资料显示，7605切眼埋深501～543m，长235m。3号煤层厚5.80～6.50m，黑色，细条带状结构，含2层夹矸，夹矸为泥岩，沿巷道掘进方向煤层倾角5～12°，平均倾角10°，掘进过程中不会遇到较大断层等地质构造，主要充水因素为3号煤层顶板以上VII号砂岩含水层，通过有效裂隙渗入到工作面。局部地段受构造影响，顶板破碎，可能出现少量淋水现象。

该处附近地应力测量结果表明，最大水平主应力为10.43MPa，方向N11.5°W;最小水平主应力为5.8MPa;垂直主应力为10.63MPa，7605切眼还将受7605高抽巷掘进影响，7605高抽巷位于煤层顶板上方2～4m，与回风巷之间煤柱15m(中对中)，高抽巷断面为2.6m×2.6m，切眼附近顶底板状况见表1。

表1 3号煤顶板岩层状况

1.2 支护技术难点分析

(1)3号煤层直接顶为泥岩，巷道掘进过程中受采动影响，加上风化作用，顶板裂隙较发育，易造成巷道顶板下沉和两帮严重变形。

(2)断面宽度大，7605切眼是五阳煤矿最大断面切眼，断面为7.8m×3.2m，之前最大断面为7.0m×3.2m，巷道分2次掘进，支护难度高。

(3)巷道位于天仓向斜轴引起的地质异常区域，地质条件复杂，巷道埋深大，围岩破碎，局部区域受7605高抽巷影响，综合因素影响下支护困难，属于复杂条件下困难巷道支护。

2 大断面切眼围岩变形特征

为了掌握7605工作面切眼大断面围岩变形特征，依据地质条件，建立力学模型，采用数值模拟软件FLAC3D模拟研究切眼高度3.5m、宽度为2.5～7.8m条件下切眼围岩变形规律，其位移数值如表2。

表2 不同方案位移值比较

根据模拟结果，可知:

(1)随着巷道宽度的增加，位移分布规律没有太大的变化，反映变化的只是数值的增大。

(2)随着巷道宽度的增加，顶底板塑性区范围逐渐扩大，但不明显，两帮变化较明显。

(3)随着巷道宽度的增加，顶板应力集中值增大，张拉、剪切破坏加剧，巷道变形严重，支护难度加大。

3 支护对策

依据支护难点分析结果，彻底改变以前浅埋煤层低强度、低预应力和高密度的支护方式，基于高预应力强力支护理论［4－6］，依据高预应力和预应力扩散原则和高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则，提出如下支护对策:

(1)7605切眼支护分为2部分，正常段断面7.8m×3.2m，2个端头断面9.8m×3.2m，根据切眼断面尺寸不同，有针对性设计支护方案。

(2)改善支护材料，增强锚杆支护系统强度，优化支护材料配套，改变支护强度不高、预紧力偏低，护表构件面积小及锚杆 (索)断裂问题，将原来335号锚杆和直径15.24mm锚索更换为500号锚杆和直径18.9mm强力锚索。

(3)增大锚杆支护系统刚度。设计500号锚杆预紧扭矩大于400N·m，锚索初始预紧力大于250kN。

(4)锚网索和木垛联合支护技术。切眼掘进完毕后，工作面支架安装之前，进行木垛支护。

4 支护方案

依据地质条件、围岩变形特征及支护难点分析，利用数值模拟软件对不同支护方案进行模拟分析，结合工程实践经验，确定五阳煤矿7605切眼采用加长锚固高预应力强力锚杆锚索组合支护系统，切眼正常段宽度为7.8m，高3.2m，切眼分2次掘进成巷，一切宽度为 3.5m，二切宽度为4.3m，两端头尺寸为9.8m×3.2m。

4.1 正常段切眼支护方案

锚杆杆体为22号左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为500号，长度2.4m;顶板锚杆间排距1000mm× 900mm，帮锚杆间排距800mm×900mm，采用高强锚杆螺母M24，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托板采用拱型高强度托板，托板大小为150mm×150mm×10mm，承载能力不低于260kN。采用 W钢带护顶和外侧帮，钢带厚4mm，宽280mm，顶板长度分别为3200mm和4200mm，外侧帮长度2600mm，采用金属网护顶帮。顶锚索为18.9mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度 7300mm，每 2排打 4根锚索，锚索间距2000mm，采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具，强度要大于400kN。内侧帮:需采用可切割玻璃钢锚杆，杆体为20mm玻璃钢，长度2000mm，杆尾螺纹为M20。采用300mm× 200mm×100mm木垫板配合锚杆托板。锚杆间排距800mm×900mm。锚索初始预紧力大于250kN，锚杆预紧扭矩大于400N·m。

4.2 两端大断面切眼支护方案

两端大断面切眼支护材料和规格同正常段，其不同之处为:顶板W钢带长4200mm，外侧帮W钢带长度2500mm。锚杆间排距1000mm×900mm，有1根锚杆打单体，配300mm×300mm×16mm大托板。每1.8m打5根锚索，一切、二切内锚索间距均为2000mm，锚索初始预紧力大于250kN。

5 切眼支护效果分析

为了有效评价切眼支护效果，7605切眼在掘进110m位置设置了1个综合观测站，采用十字布点法对巷道表面位移进行观测，通过顶板离层仪和锚杆 (索)测力计对顶板离层和锚杆、锚索受力情况进行监测。

5.1 表面位移

7605切眼一切和二切巷道表面位移观测曲线如图1和图2所示，从观测曲线可以看出，巷道的变形随着开挖时间逐渐增大，开始时增加的幅度比较大，但是随着逐渐远离掘进工作面其变形趋于稳定。一切顶板的最大变形量为25mm，两帮的最大移近量为15mm;二切顶板的最大变形量为15mm，两帮的最大移近量为12mm，二切巷道在掘进初期基本没有变形。

图1 一切巷道表面位移变化曲线

图2 二切巷道表面位移变化曲线

5.2 顶板离层

7605切眼共布置了17个顶板离层仪，一切布置了9个，二切布置了8个，每隔30m布置1个。一切巷道顶板浅部最大离层为50mm，深部最大离层为38mm;二切巷道顶板浅部最大离层21mm，深部最大离层9mm。

图3是4号顶板离层仪变化曲线，一切巷道4号顶板离层仪观测时间约40d，巷道开挖初期，顶板离层量不大，浅部最大离层为15mm，深部几乎没有离层，其增幅也不大，随着逐渐远离掘进工作面趋于稳定。随后在二切掘进影响下，一切顶板离层量增加，增幅变大，巷道顶板离层由浅部向深部发展，浅部最大离层达50mm，深部最大离层达38mm。

图3 一切4号顶板离层仪变化曲线

5.3 锚杆 (索)受力

受二切采动影响，7605切眼一切锚杆和锚索受力观测曲线如图4和图5所示。从图中可以看出，锚杆、锚索受力变化较大，锚杆锚索受力增幅大，在支护系统中，锚索起到了重要的作用。受二切采动影响，左帮锚杆受力最小值为46kN，最大为125kN，平均为89kN;顶部锚杆受力最小值122kN，最大为214kN，平均为207kN;顶板锚索受力最小值为 246kN，最大为 282kN，平均为264.5kN。锚杆、锚索的受力大，增幅大，其主要原因是:一是受二切掘进影响;二是开始锚索预张拉不到位，从而引起顶板的离层运动，特别是深部岩层的离层，从离层监测数据及离层变化曲线也可以看出，此过程经历了一个深部离层扩展的情况，但是离层量不大，锚索很快就达到了较高的拉力，阻止了离层的进一步扩展。从整体上来看，锚杆、锚索充分发挥作用，控制了巷道较大的变形，巷道趋于稳定。