下分层回采巷道的全锚索支护技术研究
2024-01-11李学鹏
李学鹏
(山西长平煤业有限责任公司,山西 高平 048499)
在我国大中型煤矿中,巷道采用锚杆支护的比例已超过90%[1]。随着锚杆支护技术的发展,近些年煤矿巷道的掘进速率和支护效果得到了很大的提高。然而,煤巷锚杆(索)支护技术还有很大的发展空间[2-4],研究采动影响条件下回采巷道锚索支护,对快速掘进和支护安全有着重要的意义。长平煤矿下分层回采巷道现采用钢棚支护形式,支护效果不佳、工作量大、支护成本高。
1 工程概况
1.1 41052 运输巷位置
长平煤矿41052 工作面位于3 号煤层41 采区西翼,工作面位置如图1 所示。3 号煤层厚4.7 m,倾角13°,采用分层开采法,上分层厚2.4 m,下分层厚2.3 m。41052 工作面为下分层工作面,北部和西部为上下分层均已回采的采空区,南部为大巷保护煤柱,东部为上山保护煤柱。
图1 工作面位置示意图
41052 运输巷位于41051 工作面之下,41051工作面2016 年2 月回采结束,采空区存在积水。41052 运输巷长度为356 m,平均埋深为473 m。
1.2 41052 运输巷顶底板概况
41052 运输巷直接顶为金属网假顶,基本顶为6.2 m 厚的细粒砂岩与砂质泥岩互层。41052 运输巷的综合柱状图如图2。
图2 综合柱状图
1.3 41052 运输巷顶板结构分析
在41052 运输巷中41052 开切眼附近进行顶板钻孔窥视,3 号煤层顶板以上0~4.2 m 围岩破碎严重,4.2~6.0 m 顶板相对较好,但6.0 m 处有一处明显裂隙破碎,6.0 m 以上顶板完好,岩体为整体块状结构。
根据该矿多个顶分层工作面回采期间的矿压观测总结,直接顶冒落高度2~4 m,破断步距12~17 m,煤层倾斜方向基本顶分段下沉垮落长度7.5~15 m。根据多条下分层煤巷顶板钻孔窥视情况和打钻过程排渣情况分析,冒落的破碎带岩层最大发育高度为6 m,6 m 往上钻孔壁趋于完整,裂隙较少,推测进入裂隙带内。
2 下分层回采巷道新型支护形式的提出
2.1 传统支护形式问题分析
按照长平矿以往下分层回采巷道的支护经验,此类巷道均采用12#工字钢棚+工字钢抬棚被动支护,支架不能提高巷道围岩的残余强度,使得巷道松动围岩压力全部由支架承受。下分层巷道顶板为垮落后重新压实和胶结的顶板,支架在对巷道径向围岩支护阻力不足时,顶板会发生离层和下沉,围岩残余强度会降低,使得巷道松动圈增加,造成巷道变形严重。底板为泥岩时,在水的作用下,棚腿会钻底严重,加剧巷道变形。下分层的弱胶结顶板在受到采动影响后,巷道顶板破碎范围会进一步增加,工字钢变形严重,甚至出现顶梁挡块脱焊现象,在工作面回采过程中,需要不断重复修棚换棚,支护成本大大提升。
2.2 新型支护形式的提出
根据相邻采区下分层回采巷道掘进观测结果可知,巷道开口后初期顶板破断前并不淋水,证明此地质条件下的下分层巷道顶板已经压实并胶结,具有隔水性,推断其具有一定承载能力。
根据锚杆支护的“组合梁”[5-6],如果采用长锚索支护,将锚索锚固在深部中粒砂岩层中,通过向锚索施加一定的预应力,巷道顶板下部的破碎胶结层和深部砂岩层可以形成组合梁,巷道两帮可以看作为组合梁的支点,此种组合梁可以防止岩石沿层面滑动,避免各岩层出现离层现象,增加了整体的抗弯能力,可以稳定支承其上部的岩层载荷。深部裂隙带的稳定岩层对下部垮落松散层起到悬吊作用。各层间摩擦阻力愈大,整体强度愈大,补强效果愈好。对于回采巷道揭露的层状岩体,直接顶均有弯曲下沉变形趋势,如果使用锚索及时将其挤压,并悬吊在基本顶上,直接顶板就不会与基本顶离层乃至脱落。
实施锚网索支护后,锚索和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结构,可提高锚固体的力学参数,改善围岩的力学性能。下分层煤巷的围岩锚固区内的煤岩体处于破碎区和塑性区,锚固后可以提高其残余强度,可以改变围岩的应力状态,增加围压,从而提高围岩的承载能力。巷道围岩锚固体强度提高以后,可减少两帮破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移,有利于保持巷道围岩的稳定。
锚索支护降低劳动强度,简化了施工过程,降低了成本。
2.3 锚网支护设计
根据悬吊理论,顶板锚索锚固力最低要能悬吊顶板浅部松散岩体的重力。
1)顶板锚索长度Lt
式中:La为锚入完整岩体的锚固长度,取1.5 m;Lb为被悬吊的岩层厚度,取6 m;Lc为索具及托盘的厚度,一般取0.15 m;Ld为外露长度,取0.25 m。经计算Lt≥7.90 m。最终,锚索长度定为8.00 m。
2)顶板锚索直径
锚索的直径应先按照锚索能承受的最大锚固力进行计算,其计算公式如下:
式中:φ为锚索的直径,mm;Fmax为锚索最大锚固力,500 kN;Rm为钢绞线的抗拉强度,1860 MPa。经计算可得锚索φ=18.50 mm。因此,可选择直径为18.9 mm 的锚索。
3)顶板锚索间排距
按照等间排距计算:
式中:Fmax为最大锚固力,取500 kN;K为1.5~2,取2;γ为悬吊岩石平均容重,取19 000 N/m3;s1、s2为锚索间排距,m。经计算s1=s2=1.48 m。考虑到此巷道为下分层回采巷道,应适当减小锚索间排距,顶锚索间排距初定为900 mm×900 mm。
4)通过悬吊松散层重力验证顶板锚索直径
式中:W为破碎岩层单位长度巷道承受顶板的总重力,W=γ×B×Lb,B为巷道宽,4.8 m,经计算,W=547 200 N;n为每排锚索的根数,取5;Ka为安全系数,取0.5。经计算φ=12.2 mm。因此,实际选用锚索的直径为18.9 mm,符合要求。
5)帮锚索的长度
巷道两帮潜在破坏区宽度由公式(5)计算:
式中:L1为破坏区宽度,m;h为巷道高度,取3 m;β为煤层内摩擦角,取35°。经计算L1=0.528 m。
帮锚索长度Lw由公式(6)计算:
式中:La为锚入完整岩体的锚固长度,取1.5 m;Lc为索具及托盘的厚度,一般取0.15 m;Ld为外露长度,取0.25 m。经计算Lt≥2.428 m。考虑到此巷道为下分层回采巷道,煤层受上分层回采影响,煤层岩体强度有所减弱,巷帮的上半部煤层帮锚索长度定为4.3 m,下半部岩层帮锚索长度定为2.5 m。
6)帮锚索的间排距
考虑到施工工艺的统一性,令帮锚索间排距相等为sb,sb≤0.5Lt。经计算sb≤1.214 m。综合考虑顶帮的统一施工,最终将帮锚索间排距定为900 mm×900 mm。
巷道断面为梯形断面,底板宽4800 mm,中线高3000 mm,低帮高2450 mm,高帮高3550 mm。结合现场观测和理论计算结果提出以下支护方案。
顶板锚索:顶板采用Φ18.9 mm×8000 mm 高强预应力锚索,锚索排距为900 mm。考虑到巷道跨度较大,巷道中间的顶板区域在受力变形时弯曲变形将较为严重,拉应力区较大,需要通过加密中部顶板锚索间距补偿压应力,以达到改善顶板应力状态的效果。因此,将顶板中间三根锚索的间距定为800 mm,两侧的两根锚索间距变为1000 mm,如图3 所示。锚索预紧力不小于200 kN,锚固力不小于500 kN。沿巷道中心线打设一排单体柱抬棚,单体液压支柱间距为900 mm。
图3 巷道支护设计断面图(mm)
帮部锚索:如图3 所示,煤段采用Φ18.9 mm×4300 mm 高强预应力锚索,岩段采用Φ18.9 mm×2500 mm 高强预应力锚索。锚索预应力不小于200 kN,锚固力不小于500 kN。
3 新型支护方案的数值模拟效果验证
3.1 模型建立
采用FLAC3D6.0 数值模拟软件对锚网索支护效果进行计算分析。模型在巷道轴向方向长为0.9 m,模型尺寸为50 m×50 m×0.9 m,模型顶部边界施加大小为1.648 MPa 的均布载荷代替顶部岩层,四周限制水平位移,z轴方向限制z方向位移,侧压系数均设为1。
3.2 参数取值
通过现场岩样采集、实验室岩石物理力学参数测定后,测得岩块物理力学参数,再通过Hoek-Brown 准则将岩块物理力学参数进行折减得到各岩层岩体的物理力学参数,最终岩体的密度ρ、弹性模量Em、泊松比μ、单轴抗拉强度σtm、内聚力cm等岩体力学参数见表1[7]。
3.3 锚网索支护效果验证
将表1 中参数带入数值模拟软件进行计算,锚索支护参数完全按照2.3 中的设计结果进行设定,最终得到巷道的位移云图如图4。对巷道的顶底板和两帮中点位置进行巷道表面位移量监测,最终得到顶板下沉量为72 mm,底鼓量为230 mm,高帮移近量为42 mm,低帮移近量为35 mm。从数值模拟结果可以得出,巷道采用锚网索支护后整体的变形量符合安全需求。
图4 锚网索支护位移云图
4 现场工业性试验
4.1 现场观测
将锚网索支护方案在41042 运输巷进行现场工业性试验。巷道掘进后,在距开口距离为50 m和100 m 位置,采用十字布点法对巷道的表面位移量进行观测。距开口50 m 处巷道顶板下沉量为32 mm,底鼓量为103 mm,高帮移近量为23 mm,低帮移近量为15 mm;距开口100 m 处巷道顶板下沉量为46 mm,底鼓量为113 mm,高帮移近量为45 mm,低帮移近量为24 mm。现场检测结果和数值模拟的监测结果比较接近,巷道的变形量可以满足安全要求。
4.2 经济效果
采用锚网索支护后成本大大减少。传统工钢棚支护单价为4562 元/m,锚网索新型支护前期施工中成本为2850 元/m,每米减少投入1712 元。另外,工作面回采时,采用锚网索支护可回收全部顶板锚索梁和托盘,锚网索支护实际投入为1463 元/m,成本单价降低了3099 元/m,全巷预计可减少材料费投入110 万元。
采用锚网索支护后,劳动组织方式得到了优化,相较于工钢棚支护每班减少卸、运工钢棚人员,减少了后期巷道修理人员,降低了工人劳动强度,提高了安全系数。
5 结论
1)通过总结分析长平煤矿下分层回采巷道传统支护形式的缺点,提出新的锚索支护方案;通过现场观测和理论计算的方法,确定了锚索支护方案。
2)采用FLAC3D数值模拟软件建立了41052 运输巷模型,对锚网索支护效果进行模拟分析,证明了锚网索支护方案的可行性。
3)将所确定的锚网索支护方案应用于41052运输巷现场施工,巷道掘进后变形量可以满足安全要求,证明下分层回采巷道在顶板胶结较好时,可以采用锚索梁+金属网进行支护,可为同等条件下工程提供借鉴和参考。