大斷面綜放開(kāi)切眼錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)與圍巖穩(wěn)定性研究

陳永輝

平頂山天安煤業(yè)三礦有限責(zé)任公司,河南平頂山 467092

隨著我國(guó)綜采開(kāi)放技術(shù)的不斷應(yīng)用，并逐漸向礦井的深部延伸，一些新難題也隨之而來(lái)，例如極破碎圍巖巷道、沿空掘巷、全煤巷道等，隨著開(kāi)采強(qiáng)度越來(lái)越大，對(duì)巷道斷面也提出較高要求。為了改善巷道支護(hù)效果與質(zhì)量，在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)全力攻關(guān)，基本形成與我國(guó)煤礦條件相適應(yīng)的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)以及動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法。目前，錨桿支護(hù)在我國(guó)全面推廣，經(jīng)濟(jì)效益良好。但是大斷面綜放開(kāi)切眼與一般的薄煤層和中厚煤層巷道不同，斷面錨桿較大、頂煤較厚、變形量大、圍巖松軟，如果不能合理選擇支護(hù)形式及參數(shù)，就會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：一方面，支護(hù)強(qiáng)度過(guò)高，浪費(fèi)成本；另一方面，一旦支護(hù)強(qiáng)度不足，就會(huì)產(chǎn)生冒頂事故，帶來(lái)不必要的損失。因此，加強(qiáng)大斷面綜放開(kāi)切眼錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的研究，對(duì)煤巷開(kāi)采具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 頂板錨桿支護(hù)

以某實(shí)際工程為例，綜放開(kāi)切眼頂板含有兩層夾矸、厚度約4.0m負(fù)荷煤頂板，穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生離層或冒落問(wèn)題。因此，錨桿支護(hù)應(yīng)采取樹(shù)脂全長(zhǎng)或者加長(zhǎng)錨固等高強(qiáng)度的螺紋鋼錨桿支護(hù)強(qiáng)化頂板。高強(qiáng)度的螺紋鋼錨桿與樹(shù)脂藥卷全長(zhǎng)錨固或者加長(zhǎng)錨固配合支護(hù)。在錨固范圍內(nèi)，如果巖層、煤層等發(fā)生離層或變形，桿體會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生一定約束力，避免煤層或巖層出現(xiàn)離層，因此，煤層或巖層的強(qiáng)度與剛度有所提高，可有效減少頂板下沉。另外，錨桿中部受力較大、兩端受力小，可減少在錨桿支護(hù)時(shí)，兩端受力過(guò)大、錨固端的頂板產(chǎn)生受力作用，容易發(fā)生破壞。通過(guò)采取錨桿支護(hù)，極大提高開(kāi)切眼頂板的安全性。

1.2 頂板錨索支護(hù)

對(duì)于開(kāi)切眼的跨度大、頂板厚的復(fù)合煤頂板來(lái)說(shuō)，為了降低頂煤剪應(yīng)力與拉應(yīng)力，采取小孔徑的預(yù)應(yīng)力錨索，提高開(kāi)切眼頂煤的支護(hù)效果。通過(guò)應(yīng)用小孔徑的預(yù)應(yīng)力錨索，將下部錨固區(qū)的頂板懸掛在上部穩(wěn)定巖中，和錨桿共同加固效果，提高頂板穩(wěn)定性，確保開(kāi)眼安全。開(kāi)切眼頂煤采取高強(qiáng)度錨索或者錨桿支護(hù)，既提高頂煤穩(wěn)定性，同時(shí)也可確保頂板的支撐能力，降低兩幫煤體壓力。

1.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3.1 斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)安裝設(shè)備的客觀要求，以及巷道的位移變形預(yù)留量，形成矩形巷道斷面。

1.3.2 有限差值的分?jǐn)?shù)值設(shè)計(jì)

假設(shè)數(shù)值模型模擬范圍長(zhǎng)×寬=300m×300m；網(wǎng)格是220mm×160mm，采取應(yīng)力邊界條件，模型上方的表面施加均勻壓力，模型兩側(cè)面施加的壓力隨著深度變化而變化，固定在模型下表面的垂直位置。為了如實(shí)反映巷道位移的特征，尤其當(dāng)巖石屈服之后產(chǎn)生的力學(xué)行為，又不會(huì)降低計(jì)算速度，采取以下兩種力學(xué)模型的模擬巖層：一是應(yīng)變軟化。模擬煤層巷道的直接頂、直接底以及煤層，而其他范圍中的煤層則采取摩爾-庫(kù)倫模型，模擬巖層的層面，以錨桿單元對(duì)錨桿進(jìn)行模擬。共模擬約20多個(gè)方案，不斷調(diào)整錨桿的長(zhǎng)度、直徑、間排距等因素，分析模擬方案中的兩幫煤層、頂板離層等剪切破壞程度、錨桿受力情況、兩幫位移等，最終確定最佳支護(hù)方案：利用樹(shù)脂材料加長(zhǎng)錨固桿，并采取錨索補(bǔ)強(qiáng)的組合支護(hù)。切眼可分為兩次掘成，分兩次完成。具體設(shè)計(jì)數(shù)值如下：

1）錨桿：桿體是22#左旋的無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度約2.50m，桿尾螺紋規(guī)格M24，采取數(shù)值錨固劑（分別為K2355和Z2360型），鉆孔29mm，錨桿長(zhǎng)度約12m；2）錨桿的布置：采取靠近巷幫的頂錨桿形式，安裝角度和垂線成25°的外偏角，其他頂錨桿則與頂板垂直。一般錨桿的間排距是8m×8m，分巷每排為5根，且兩分巷每排錨桿為一根錨桿交疊；3）鋼筋托梁：采取16mm的鋼筋焊接，整體寬度1m、長(zhǎng)3.65m；4）錨索：為了提高頂板支護(hù)的強(qiáng)度，在頂板的中間位置布置3排錨索，規(guī)格約15.24mm×8300mm，間距約16m，利用長(zhǎng)度2.5m的12#槽鋼，將前后兩根鋼筋相聯(lián)，每根錨索采取三卷樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固，采取K2335型、Z2360型，鉆孔是28mm，錨固長(zhǎng)度是14m，采取10m×9m×10m的鋼板當(dāng)做錨索托板，提高支護(hù)穩(wěn)定性。

2 圍巖穩(wěn)定性的效果分析

在大斷面綜放開(kāi)切眼錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注重加強(qiáng)對(duì)圍巖表面的觀察和測(cè)量，觀察開(kāi)切眼表面的曲線狀況。

1）通過(guò)錨桿支護(hù)作用，可有效維護(hù)巷道的效果，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間（一般為2個(gè)月）的觀測(cè)，從第一次掘進(jìn)產(chǎn)生的影響、第二次掘進(jìn)產(chǎn)生的影響直到安裝工作面，其中頂?shù)装搴蛢蓭彤a(chǎn)生的移近量約79mm和130mm；2）此種工程方式的掘進(jìn)影響較少，在進(jìn)行第一次掘進(jìn)時(shí)，約5天～6天時(shí)間后，頂板的下沉狀況基本穩(wěn)定；約9天時(shí)間后，兩幫相對(duì)移近狀況也趨向穩(wěn)定，掘進(jìn)的影響和掘進(jìn)穩(wěn)定階段，頂板的相對(duì)移近量約43mm、兩幫相對(duì)移近量是70mm。也就是說(shuō)，在高強(qiáng)度的錨桿與錨索支護(hù)下，可在短時(shí)間內(nèi)控制頂板下沉，兩幫采取竹錨桿支護(hù)即可，減少支護(hù)阻力，控制圍巖變形的能力相對(duì)較小；3）在第二次掘進(jìn)時(shí)，對(duì)圍巖變形的影響較大，由于頂板支護(hù)強(qiáng)度比較大，再加上另一側(cè)的煤幫使用圓鋼錨桿支護(hù)，阻力比較大，可減少由掘進(jìn)給圍巖變形帶來(lái)的影響，一般頂板是4天、兩幫是7天。減短了掘進(jìn)的影響期，利于降低圍巖強(qiáng)度的損失，提高圍巖的穩(wěn)定效果，有效控制煤頂巷道的變形效果，減少發(fā)生片幫或者冒頂事故的可能性，確保巷道安全性，驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)具有極強(qiáng)的可靠性與合理性；4）大斷面綜放開(kāi)切的維護(hù)效果較好，通過(guò)錨桿支護(hù)，相對(duì)減少底板和兩幫的移動(dòng)量，增強(qiáng)頂板可靠性、安全性、穩(wěn)定性；增快掘進(jìn)的速度，減少應(yīng)用材料，同時(shí)降低搬運(yùn)材料的時(shí)間與勞動(dòng)力；在二次掘進(jìn)過(guò)程中，不會(huì)涉及到碰撞支架等問(wèn)題，提高了施工速度與施工質(zhì)量；5）工作面的安裝空間大、安裝速度快，不涉及額外拆除支架問(wèn)題，一般同等數(shù)量的設(shè)備安裝工作，至少可提前10天完成，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其節(jié)省搬運(yùn)、安裝以及回收工字鋼棚支架等體力工作，減少勞動(dòng)力的大量支出，提高錨桿和錨索的支護(hù)機(jī)械強(qiáng)度，具有較好的社會(huì)效益；6）采取高強(qiáng)度的錨桿和錨索支護(hù)技術(shù)，可顯著提高支護(hù)效果，一般應(yīng)用于下溝煤礦破碎煤頂?shù)南锏乐校ㄟ^(guò)全面推廣，將為煤礦企業(yè)帶來(lái)極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)煤礦企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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