鲁南地区3上煤层回采巷道“高强度、低密度”支护技术探索

七五生建煤矿 山东 济宁 277600

近年来,煤炭资源高强度大规模开采,使回采巷道大幅度增加,加之开采深度、开采条件限制等,回采巷道支护与快速掘进难度加大。因此能否经济有效地控制高应力煤巷稳定性,实现快速掘进,成为现代化矿井亟待解决的关键问题之一。本文针对鲁南地区滕南煤田,七五煤矿3上煤层211运输巷,采用高强度低密度注浆锚索支护工艺为研究对象,对煤矿的新型支护方式展开探索研究。

根据对3上211运输巷顶板岩层松动圈实测结果可知,巷道原支护条件下围岩属Ⅱ类中松动圈,运输巷顶板的完整性好,顶板浅部区域有破碎、离层或裂隙发育现象;离层及破碎带位于0.5m以内,裂隙发育带位于1m以内。为加强巷道顶板完整性及稳定性,并适应回采期间的动压扰动影响,需及时增强支护强度。考虑到现有的锚杆(索)支护理论与技术支护密度大、速度慢的现状,严重制约掘进速度,加剧采掘接续的紧张程度等问题,提出了“高强度、低密度”支护技术理念。

1 基于“有效承载层厚度”顶板叠加梁理论

煤巷厚层顶板分层呈近水平层状分布,各厚层顶板分层都具有一定的抗剪强度、抗压强度和抗拉强度,而各层之间相互粘结力较弱,为简化力学模型,忽略各层之间相互粘结力,并假设n层岩梁的各岩层具有相同的几何特征和力学特性,利用力学中的变形连续条件、静力平衡条件以及迭加原理,考虑上部岩层垂直荷载和水平构造应力的联合作用,对层间不具有粘结力的煤巷顶板叠(组)合岩梁内力进行分析。

1.1 煤巷顶板叠(组)合岩梁内力计算 建立在垂直荷载和水平构造应力联合作用下顶板叠(组)合梁受力模型如图1-1、图1-2所示。

图1-2 顶板组合岩梁受力

图1-1 顶板叠合岩梁受力模型模型

煤巷厚层顶板分层叠(组)合岩梁在垂直均布荷载和水平构造应力联合作用下发生弯曲变形。由材料力学理论可得叠(组)合岩梁在荷载作用下最下层跨中的挠度、弯矩和跨中下侧的最大拉应力为:

式中:q为组合岩梁所受垂直均布荷载,单位N/m3;l为岩梁跨度,单位m;b为组合岩梁沿巷道方向单位宽度,单位1。

1.2 锚固前后岩梁内力对比分析 由式(1-1)、(1-2)可知,在垂直荷载和水平荷载联合作用下,采用锚杆支护后组合岩梁最大拉应力小于叠合岩梁的最大拉应力,并且组合岩梁与叠合岩梁的最大拉应力之比与岩梁的叠合层数、层高、岩梁厚度、弹性模量、跨度、垂直荷载及侧压力系数有关。

采用锚杆对巷道顶板进行支护后,不仅增加组合梁各岩层之间的抗剪强度,使组合梁成为一个整体,增大顶板叠合梁各岩层厚度,相同载荷情况下岩梁岩梁的挠度会随组合梁的分层厚度的增加而呈指数增加,抗弯曲能力会随组合梁的层数的增加而减小,而且可以通过施加预紧力的方式,改善围岩应力状态,降低顶板横向载荷,减小侧压系数,达到优化围岩控制的效果。

2 “高强度、低密度”支护设计

3上211运输巷直接顶为平均厚度仅1.85m的泥岩,而基本顶为平均厚度达16.1m的砂岩泥岩。直接顶与基本顶均属于典型的层状沉积岩层,互层之间的胶结比较薄弱,容易产生离层。建立叠加梁力学分析模型,对3上211运输巷支护方案进行设计。

图2-1 叠加梁模型示意图

图2-2 组合叠加梁模型示意图

2.1 有效锚固长度确定 在竖向荷载作用下复合顶板发生挠曲变形。在挠曲变形过程中,由于第1层厚层顶板分层为坚硬岩层,挠度小于第i-1层,而不与其下部岩层协调变形的岩层,并控制其上n层厚层顶板分层,与第i+1层-至第i+n层具有相同的变形曲率。第i+n层厚层顶板分层对第i层所形成的载荷为(q i+n)i,计算公式如(2-1)所示:

其中,表示第i+j层厚层顶板分层的弹性模量,单位Pa,γi+j表示第i+j层厚层顶板分层的容重,单位N/m3,h i+j表示第i+j层厚层顶板分层的厚度,单位m。

若第i+n层叠加梁与第i+n+1层叠加梁间不发生离层,则

(q(i+n+1))i>(q(i+n))i(2-2)

否则第i+n层叠加梁与第i+n+1层叠加梁间发生离层,即满足

(q(i+n+1))i≤(q(i+n))i(2-3)

从煤层上方第i层岩层开始往上逐层计算,当满足式(4-3)则不再往上计算,此时从第i+n层与第i+n+1层坚硬厚层顶板间分层发生离层。按上述方法确定离层位置,计算有效锚固长度(离层发育范围)为3.5m。

2.2 锚索预紧力的确定 锚索安装后可立即施加高预紧力,使锚索及时承载,能够有效抑制离层产生,降低顶板管理难度。当用锚索将若干叠加梁锚固后形成组合叠加梁,如图2-2所示。复合顶板组合叠加梁在垂直均布荷载和水平构造应力及锚索预紧力联合作用下发生弯曲变形,而不发生离层,则预紧力需满足:

其中,[(q(i+n))i-(q(i+n+1))i]j表示第j层离层上下厚层顶板分层作用于第1层厚层顶板分层的载荷差值。

确定锚索预紧力不小于180k N。

2.3 支护参数确定 经上述理论计算与分析,提出如下支护方案:巷道顶板布置3根1×7股的Φ21.8×6200mm高强度锚索(破断荷载不低于380k N,延伸率不小于3.5%),间排距为1600×1200mm,预紧力不低于180k N,采用规格为4200×180×3mm的W钢带,采用规格为4200×1170mm的φ6.5mm钢筋网。巷道帮部布置4根Φ20×2200 mm无纵肋螺纹钢锚杆,间排距均为1100×1200mm,顶角与底角锚杆与帮部成15°,采用规格为4000×80×3mm的M钢带,采用规格为4500×1100mm的10#铁丝金属菱形网。支护示意图如图2-3所示。

图2-3 3上211运输巷支护断面示意图

3 技术综合比较

高强度低密度回采巷道支护设计,因注浆锚索独有的注浆支护,注浆液充填到顶板裂隙中,使破碎顶板凝结成整体,较好的控制顶板及围岩的稳定性,较原先普通锚杆锚索巷道支护,增加了支护强度,同时因支护数量的减少,从而直接减小巷道顶板及围岩的扰动性,间接提高了巷道支护安全。

注浆锚索滞后支护,加大了巷道支护排距,较之前支护排距平均扩大200mm,与原先支护方式相比,每百米综合减少支护材料约170根,相当于多增加11米工程量。