均压支护技术的研究与应用

2014-07-27李军垒陈志刚

创新科技 2014年6期

关键词：离层钢带锚索

李军垒陈志刚

（平煤股份十矿，河南平顶山 467013）

均压支护技术的研究与应用

李军垒陈志刚

（平煤股份十矿，河南平顶山 467013）

为了改善深部矿井煤巷因质地条件复杂，造成的巷道变形破坏严重的状况，鉴于以往的工程实践效果，通过均压方式实现所有锚网索共同承载围岩应力，并经现场实施及结果观测，均压技术有效地提高了锚杆和锚索的共同承载力，增加了巷道支护强度。

高地压；锚网支护；均压

平煤股份十矿戊9.0-20160工作面机巷沿戊9煤层顶板掘进，与戊9.0-20180采空区间距4.5m，巷道处于采动应力上升区。戊9.0-20160工作面机巷煤层倾角6°～10°，平均8°，煤层厚度2.5～3.8m，平均2.9m，在煤层中部含有一层0.15～0.30m厚的泥岩夹矸。工作面煤层直接顶板为灰黑色泥质粉砂岩，裂隙发育，含植物化石，厚1.5～8.0m；老顶为灰色细粒砂岩，钙质胶结，致密坚硬，厚15m左右。煤层直接底板为灰黑色泥岩，遇水膨胀。

1 采用普通锚杆支护存在的问题

采用普通锚杆支护存在着较多问题，如：巷道支护效果差，个别锚杆索“偷懒”，支护系统让压性能差，锚杆预应力低，表面支护强度低。

总之，锚杆索强度与之辅助的盘、锚固剂、锚索相互匹配，共同承载、均匀受压用力，才能形成“团结力量大”的支护系统，才能有效提高支护系统的强度。

2 均压支护设计

2.1 基本设计原则

巷道支护能够支护围岩顶板，必须考虑支护系统中锚杆—锚索变形关系、锚杆—锚索和围岩之间的关系、锚杆锚索的均压统一受力等支护特性和围岩应力强度之间关系，以保证支护体共同承载地应力。一是支护系统能共同、有效、均匀地支护围岩，在保证围岩稳定的条件下，允许支护体发生一定的变形从而形成均压性能。二是合理的初应力可以压实表面围岩体，保证早期的主动支护效果，提高围岩的承载能力和稳定性。三是合理的支护参数，包括锚杆长度和布置，使用让压锚杆实现支护系统自动均压。四是合理的锚杆索材质、锚杆结构和锚杆部件（托盘、金属网、螺母和锚固剂等）及良好合理地安装方式。

2.2 巷道设计断面：根据通风、运输、设备安装等要求，戊9.0-20160工作面机巷为直墙梯形：宽×中高=4.0m×3.0m。

2.3 支护方案：综合考虑戊9.0-20160工作面机巷围岩强度低且还要经受采煤工作面采动影响，锚杆支护参数选择如下：

锚杆的安装载荷：依据地质和采矿条件，直接顶层理、节理、裂隙发育，且厚度变化较大，开掘后一段时间后产生崩解碎胀而破坏。根据类似条件下的支护经验和有限元数值分析，顶板锚杆的安装应力不应小于8 0KN。煤层呈粉末碎块状，软弱松散，为了保证煤壁的及时主动支护，防止两帮位移过大，两帮锚杆的安装应力不应小于50 KN。

根据巷道所处的地质条件，考虑动压的影响，用有限元数值模拟的方法得到围岩应力和变形特性曲线图1。

图 1 围岩应力和变形特性曲线

由围岩应力和变形特性曲线可以分析得出：为了有效地进行巷道支护，支护体的工况点应设在低位（50 t/m）；相应的锚杆支护系统应该具有的最大让压距离40mm。当支护强度低于50 t/m时，支护强度的微小变化将引起巷道状况出现巨大的变化。如果锚杆支护系统的支护能力不大于破坏能力，则锚杆的受力将变为0，失去其支护作用，锚杆和围岩一起移动。

根据围岩应力和变形特性曲线研究，设计的支护系统如下:

最小支护强度：70 t/m，巷道围岩位移：30mm，锚杆系统的允许的最大变形30mm。

锚杆和间排距：根据上述确定的支护强度及巷道高度及围岩特征及邻近巷道支护经验，选用Φ22×2 400mm高强锚杆，其技术指标如下：屈服强度：153.3KN，抗拉强度：202KN，每排锚杆：6根，排距：800mm。

2.4 表面支护：为了保证锚杆系统有效地支护顶板和两帮，加强表面支护强度，起到均压的作用。根据围岩条件，选择如下：托盘：150×150×10mm高强球型托盘，承载能力大于32 t；钢带：2.75×300mmW钢带，金属网：采用Φ4冷拔丝编制金属网，网格80×80mm。

2.5 顶板支护：顶板采用金属网与W钢带联合表面支护措施。顶板W钢带的长度为2 100mm，三孔，孔间距为750mm。

2.6 锚固剂：为了达到所需要的锚杆安装载荷，达到锚杆的最大抗拉强度，选用MZK28500中慢速树脂（钻孔直径为Φ28 mm），每根锚杆用两支树脂锚固剂。

2.7 帮部支护：帮部锚杆的类型和参数与顶板相同。帮部表面支护按下面方案施工：上帮上部的3根锚杆共用一条W钢带，W钢带的长度为1 980mm，三孔，孔间距为750mm，最下面的锚杆单独布置；下帮巷道上部的2根锚杆共用一条W钢带，W钢带的长度为1 200mm，2孔，孔间距为800mm，最下面的锚杆单独布置。

2.8 锚索：考虑到巷道宽带及围岩的特点及现场岩性特点，经分析确定：

顶板均压锚索的长度为7.3m，锚索的直径为22mm，锚索的安装载荷为80 KN；锚索托盘使用300×300×10mm的高强方型托盘，托盘的强度大于380KN，为提高锚索的整体性，采用丛向三根锚索吊一根槽钢的形式，提高锚索受力均压性能，增加支护系统的整体性。采用的22#槽钢长度为3.4m，三个孔，孔间距1.6m。锚索均压点：90 KN，均压距离：25mm。每套锚索采用.三支MZKk28500的树脂锚固剂。

图 2 巷道支护断面

3 巷道变形监测

监测的主要内容包括：巷道表面位移、顶板离层、锚杆受力、锚杆锚固力、锚杆安装应力等。

3.1 表面位移监测

采用新支护施工的巷道，每间隔20m设置一个观测断面，观察采用“十”字布点法进行。

3.2 顶板离层监测

为检验新锚杆设计的支护效果，监测顶板离层情况，采用顶板离层仪进行观测。在已经掘出的扭矩应力锚杆支护的巷道内，沿巷道方向每隔50m安装一组顶板离层仪，深部几点7m、浅不基点2m，分别观测锚索和锚杆共同围岩范围的顶板离层情况。

3.3 锚杆受力监测

测试采用托板压力计进行，压力计安装在锚杆托盘和外锚头的螺母之间，然后紧固螺母，对锚杆施加一定的应力。

3.4 锚杆锚固力监测

采用多功能锚杆拉拔仪进行拉拔测试。

3.5 锚杆安装应力监测

采用安装应力测试表进行监察，同时采用扭矩扳手进行监察，得到二者的对应关系。

3.6 监测结果分析：原始观测数据，锚杆、锚索受力趋势见图3。

可以看出：顶板和两帮锚杆索所观测到的载荷远小于锚杆的让压点和锚杆的强度，只有右帮的稍大，达到16.3 t，这与现场让压管没发生变形的实际是一致的。这说明，通过均压技术使巷道压力均压的分布到所有的锚杆索体上，从而避免了个别锚杆索体受力过大。

掘进期间成巷后的前15 d水平变形量较大，最大为13mm/天，15 d天后，变形趋于稳定，为4～8mm/天，总水平变形量为150～250mm；巷道垂直变形量自巷道成形后顶板下沉量15d为8 mm，20 d后为10mm，稳定后顶板总下沉量为30mm，施工半年后底臌量为200～400mm，均属于正常变形量，实现了一次成巷。而类似巷道在施工三个月后，顶板下沉量为200～300mm，水平位移量为500～800mm，底膨量为40～700mm，严重影响安全生产，必须架棚进行二次支护。