回采巷道顶板岩层局部破碎支护设计研究

2021-04-10余露

煤 2021年4期

余露

(山西太行远景供应链管理有限公司，山西晋城 048000)

1 工程概况

山西晋煤集团翼城晟泰青洼煤业有限公司位于山西省翼城县西闫镇十河村东一带，地质储量6 877万t，可采储量4 902.1万t。2103运输巷为矩形巷道，宽度4.8 m，高度3.2 m，位于一采区准备大巷左翼，2103工作面主采2号煤层，平均厚度2.85 m，埋深207～231 m，顶底板岩性如表1所示。

2 支护方案设计

考虑到2103工作面开采高度较大，而直接顶岩层为泥岩和灰岩互层，质软性脆而且局部裂隙发育，顶板破碎，因此提出采用锚杆+锚索+金属网的支护方式对回采巷道进行支护。对于局部裂隙发育，顶板破碎位置进行有针对性的补强支护设计。如该位置顶板破碎范围较小，在工作面回采过程中对回采巷道围岩稳定性影响较小，不会引发安全事故，则不需对其进行针对性的补强支护，只需在工作面回采过程中对该位置变形量重点监测，以防引发冒顶等安全事故[1-2]；如顶板破碎范围大，工作面回采过程中对回采巷道围岩稳定性影响较大，极易引发冒顶等安全事故，则需对该位置进行针对性的补强支护[3-4]。拟采用NPR恒阻大变形锚索进行补强支护。具体方案设计如下：

2.1 常规支护：锚杆+锚索+金属网

2.1.1 锚杆长度选取

1) 顶锚杆

L顶=L1+L2+L3

式中：L顶为顶锚杆长度；L1为外露长度，0.1 m；L2为有效长度；L3为锚固长度，0.8 m；f为顶板岩层普氏系数，2.9；B为巷道宽度，4.8 m；H为巷道高度，3.2 m；φ为顶板岩层内摩擦角，70°。计算可得L顶=1.9 m。综合考虑矿方现有条件及安全系数，顶锚杆长度设计为2.0 m。

2) 帮锚杆

计算可得L帮=1.5 m。类比临近工作面支护效果，帮锚杆长度设计为1.5 m。

2.1.2 锚索长度选取

L索=L索1+L索2+L索3

式中：L索为锚索长度；L索1为锚索外露长度，0.32 m；L索2为锚索的有效长度，2.5 m；L索3为锚索的锚固长度；d为锚索直径，18.9 mm；σt为锚索抗拉强度，1 820 MPa；τc为树脂锚固剂与锚索粘强度，10 MPa。

计算可得：L索=5.4 m。综合考虑矿方实际情况及安全系数，顶锚索长度设计为6.2 m。

综上所述，参考临近工作面支护效果，常规支护方案为：顶锚杆长度设计为2.0 m，间排距为880 mm×800 mm，帮锚杆长度设计为1.5 m，间排距为1 200 mm×800 mm，锚索长度设计为6.2 m，间排距为1 500 mm×1 600 mm。顶板铺设D12 mm×4 800 mm×1 000 mm的钢筋网，两帮均铺设D12 mm×2 800 mm×1 000 mm的钢筋网，常规支护设计方案如图1所示。

图1 常规支护设计方案(mm)

2.2 补强支护

在常规支护基础上，在顶板破碎位置设置NPR恒阻大变形锚索。

当顶板围岩破碎范围较大时，工作面回采过程中该位置极易产生围岩大变形，此时普通锚索极易变形径缩而失效，导致支护体系破坏，从而引发冒顶等安全事故。究其原因，就是普通锚索受拉应力时，轴向伸长变形的同时横向直径会变小，导致锚索失效。基于此，何满潮院士提出了NPR恒阻大变形锚索的非常规支护结构设计。其核心思想就是特殊的结构设计，使锚索在受到拉应力时，让其在轴向伸长变形的同时，横向直径不变，从而保证锚索在围岩大变形时仍能保持原有的支护效果，避免围岩失稳引发安全事故[5-7]。NPR恒阻大变形锚索的负泊松比效应主要是通过恒阻器实现的。恒阻器结构如图2所示，NPR恒阻大变形锚索工作原理如图3所示。

如图2所示，恒阻器由锚具、恒阻体及套筒组成。如图3所示，将恒阻器安装于普通锚索尾部，当围岩变形时，恒阻体向套筒内部滑动，避免锚索在拉应力的作用下发生径缩、破断等现象，起到保护锚索的作用。在恒阻器的作用下，可以保证锚索在顶板岩层发生大变形时仍然保持工作阻力，防止顶板破碎位置失稳引发顶板事故。

图2 恒阻器结构示意

图3 NPR恒阻大变形锚索作用原理

3 现场试验

为验证常规支护+补强支护方案的支护效果，在2103运输巷进行现场试验，在2103运输巷正常位置采用常规支护方案。在2103运输巷顶板岩层破碎范围较大位置进行补强支护，NPR恒阻大变形锚索安装简单，只需要在普通锚索尾部加装恒阻器，钢绞线长度同样选取6.2 m，同时加装恒阻锚索工作阻力监测仪，对回采过程中NPR恒阻大变形锚索的工作阻力进行实时监测。NPR恒阻大变形锚索工作阻力监测曲线如图4(a)所示，顶板下沉量监测曲线如图4(b)所示。

如图4(a)所示，距离工作面120 m左右，顶板开始下沉，锚索开始承受顶板变形产生的压力。在距离工作面100 m范围以内时，NPR恒阻大变形锚索的工作阻力也急剧增大。在距离工作面70 m范围以内时，NPR恒阻大变形锚索的工作阻力基本维持稳定，在360～365 kN小范围内波动。根据图4(b)显示，在距离工作面120 m左右，顶板岩层开始下沉。在距离工作面100 m范围以内时，顶板下沉量急剧增大，直到工作面推进到监测点位置，顶板下沉量一直在增大，顶板下沉量最大值为256 mm。通过对比分析图4(a)和图4(b)可知，当距离工作面70 m范围以内时，NPR恒阻大变形锚索工作阻力已达到稳定状态，而此时顶板下沉量还在急剧增大，表明恒阻器确实起到了保护锚索的作用，在顶板下沉变形过程中，锚索可以维持恒阻状态并保持工作阻力在360～365 kN范围内，直到工作面推进到监测点位置，NPR恒阻大变形锚索工作阻力仍然可以维持在360～365 kN这一较高水平，对于顶板破碎位置起到了有效的支护作用。以邻近巷道为参考，在2101工作面回采过程中，2101运输巷顶板岩层破碎位置，为防止顶板岩层失稳，采用了木垛加强支护。即使在木垛加强支护的前提下顶板下沉量最大值仍然达到了453 mm，而在NPR恒阻大变形锚索补强支护下，顶板下沉量最大值仅为256 mm，降低了43.5%，现场试验表明NPR恒阻大变形锚索的补强支护作用效果显著。