復合頂板大斷面煤巷錨網索梁支護技術研究與應用

陳泉建

(平頂山天安煤業股份有限公司六礦,河南省平頂山市,467000)

復合頂板大斷面煤巷錨網索梁支護技術研究與應用

陳泉建

(平頂山天安煤業股份有限公司六礦,河南省平頂山市,467000)

平煤股份六礦戊9－10－22180工作面外段風巷斷面大,頂板為高應力小巖柱煤巖互層復合頂板,針對風巷巖層特點采用錨網索梁聯合支護。介紹了錨網索梁支護的方案設計、技術關鍵。通過在多段巷道試驗,取得了良好的效果。

煤巖互層 復合頂板 大斷面煤巷 錨網索梁支護

平煤集團以往復合頂板支護采用傳統的鋼架棚支護或錨網索與架棚聯合支護。前者由于支護強度低,往往在采面移交前拱形棚已被壓壞,二次返修投入成本較高,而且在回采過程超前替棚困難,嚴重制約了高產高效;后者雖然一定程度上解決了支護問題,但回采時仍需超前替棚,采煤工效低。為解決巷道大斷面、復合頂板支護問題,探索了小巖柱煤巖互層復合頂板巷道采用錨網索梁支護技術,該技術先后在丁6－21090機巷、戊9－10－22310機巷、戊9－10－22310中間巷、戊9－10－22180風巷外段等地點進行了試驗,取得了良好的支護效果,本文介紹了在戊9－10－22180風巷外段小巖柱煤巖互層復合頂板采用錨網索梁支護技術情況。

1 工程概況

戊9－10－22180風巷垂深840～927m,設計長度2090 m,風巷外段540 m沿戊10煤層頂板施工,巷道布置見圖1。

巷道(豎直方向)上部為戊8－22180采空區,回采結束已5年。戊9－10－22180風巷外段戊10煤層厚2.8～3.0 m,煤層傾角8°～10°,上覆巖(煤)層依次為厚1.0～2.6 m的砂質泥巖(煤層間巖柱),普式硬度系數為3;厚0.2～0.4 m的戊9煤層,普式硬度系數為1.0;厚1.2～3 m的砂質泥巖(煤層間巖柱),普式硬度系數為3;厚2.5～3.1 m戊8煤層,普式硬度系數為1.5;戊8煤層頂板為砂質泥巖,普式硬度系數為3。巷道設計凈寬5.0 m,凈高3.2 m,凈斷面16 m2,是典型的高應力小巖柱煤巖互層復合頂板大斷面巷道。

圖1 巷道平面布置圖

2 支護方案設計

戊9－10－22180風巷外段開挖后,由于煤巖互層復合頂板穩定性差,變形量大,直接頂因彎曲變形與基本頂分離,應首先采用錨桿網＋鋼筋梯子梁組合支護,并提高錨桿的預緊力,以此對頂板下部巖層及軟弱煤層進行約束加固,使圍巖處于受壓狀態,在錨固范圍內形成第一層組合梁,可加大對頂板的控制范圍,提高巖體自身的強度和穩定性,從而使巷道淺部的圍巖與錨桿、鋼筋梯子梁形成一個整體。高預緊力錨桿給巖體變形預留一定的變形量,便于圍巖應力進一步釋放,達到將直接頂擠壓并懸吊在基本頂上、減少和限制直接頂的下沉、離層的目的。

其次,使用預應力錨索將圍巖與錨桿、鋼筋梯子梁所形成的整體牢固地錨固在穩定的巖層中,起到補強作用,這樣對頂板深部錨固產生的懸吊作用更強,以減緩頂板下沉,將淺部巖體與深部巖體融為一體,使圍巖發揮更大的承載作用,更加有效地減少頂板離層,提高巷道承載能力。

第三,如果想要戊9－10－22180風巷外段取得良好的支護效果,還需要解決錨網、鋼筋梯子梁與錨索聯合形成的組合梁的可靠性、懸吊基點的錨固力和加固拱的完整性及穩定性問題,則采取錨索梁固定錨索以增加錨索支護的整體性和支護強度,同時增加錨索張拉預應力以提高互層之間的粘合力;又由于頂板以上2.6 m位置處于戊9－10夾矸范圍內,夾矸穩定性極差,可用錨索梁補強錨固并增加組合梁的厚度和強度,同時還要強力護表,防止局部破壞;巷道開挖后及時支護,充分利用各互層之間原始的粘合力,防止離層之后原始粘合力減小或破壞。

3 錨索網支護參數確定

戊9－10－22180風巷外段錨桿、錨索有效長度計算方法選擇普氏自然平衡拱理論進行計算,具體計算公式可參照相關文獻,此處不再詳述。依據相應的理論計算公式分別對預應力錨桿和錨索的長度進行校核計算,計算可知錨桿長度要大于2.4 m,間排距為0.8 m,錨索長度要大于6.0 m,且單個錨索的加固范圍以錨索為中心、半徑約1.6 m的圓形區域。

根據工程類比法并參照鄰近巷道支護狀況,確定了戊9－10－22180風巷外段的支護參數。

(1)巷道頂板采用錨網、鋼筋梯子梁、錨索梁聯合支護,錨桿規格為?22 mm×2600 mm高強錨桿,錨桿間排距800 mm×800 mm,配以由直徑4 mm的冷拔鋼絲加工成的、網格尺寸為50 mm的金屬網,并用鋼筋梯子梁連接加固錨桿;錨桿錨固采用MSCK2335型樹脂錨固劑1支及MSK2335型樹脂錨固劑2支,預緊扭矩不低于320 N·m,錨固力不低于150 k N,確保互層之間形成的組合梁結構的可靠性。沿巷道走向方向打設3排規格為?21.6 mm×8000 mm錨索,用廢舊U型鋼加工成長度為2 m的梁將錨索張拉在梁上從而組成錨索梁,縱向前后連鎖,錨索錨固采用MSCK2335型樹脂錨固劑2支及MSK2335型樹脂錨固劑4支,拉力不小于200 k N。錨索梁與鋼筋梯子梁垂直布置,形成網格。戊9－10－22180風巷外段支護參數如圖2所示。

巷道兩幫采用錨桿支護和金屬網護表,幫錨桿規格同頂板錨桿,間排距為700 mm×800 mm,金屬網規格與頂板金屬網規格相同,錨桿錨固采用MSCK2335型和MSK2335型樹脂錨固劑各1支,預緊力不低于320 N·m,錨固力不低于150 k N,鋪網時要求鋪網平整,金屬網搭接部分大于100 mm,每隔200 mm用14＃鐵絲綁扎,且搭接部分要有錨桿穿過,并用錨盤壓緊,使鋼筋網緊貼巖面或煤壁。

圖2 戊9－10－22180風巷外段支護參數

4 礦壓監測

利用CMSW6(A)型錨桿(索)無損檢測儀實測錨桿、錨索預緊力及受力狀態,通過十字位移測點監測巷道收斂變形情況;采用YTJ20型巖層探測記錄儀、頂板離層儀及時監控頂板松動、離層情況,離層達到經驗值(50 mm)以上,立即采取補套36U拱形棚子補救。

采用YTJ20型巖層探測記錄儀對頂板巖性及頂板離層探測,方法是自戊9－10－22180風巷外段開口位置起沿巷道走向每隔100 m,在頂板中間施工1個直徑32 mm、深度8 m的探孔,探孔施工好后,用YTJ20型巖層探測記錄儀對探孔進行窺視。探孔表明巷道頂板向上1.5 m處見0.2 m厚戊9煤層,上覆2.9 m處見戊8煤層底板,戊8煤層厚2.5 m處、4.4 m處和戊8煤層頂板及以上6.0～8 m范圍段內頂板巖性較好,探孔各巖層間未出現裂隙。試驗進一步驗證了采用2.6 m錨桿和6.5 m錨索可錨固在穩定巖層中,6.5 m長錨索張拉強度可達到45 MPa以上。經過連續觀測探孔煤巖互層變化情況,判斷巷道頂板無離層現象。

5 支護效果

戊9－10－22180風巷外段采用錨網、鋼筋梯子梁、錨索梁聯合支護后,經過為期8個月的巖層探測,未發現鉆孔巖壁有裂紋和離層現象。掘進期間巷道頂板下沉量最大23 mm,下沉速率平均1.3 mm/d;巷幫位移量最大70.1 mm,位移速率平均1.52 mm/d;巷道頂板深部下沉量0 mm,頂板淺部最大下沉量28 mm,平均23 mm;錨桿最大受力8.6 t,平均受力8.1 t。回采期間巷道頂板最大下沉量97.5 mm,平均下沉量78 mm,下沉速率平均7.1 mm/d;巷幫位移量最大216.5 mm,平均位移量186.7 mm,平均位移速率4.43 mm/d。

掘進期間凈斷面16 m2,回采期間由于采動影響,巷道局部出現收縮,斷面可保證在13.2 m2以上。實事證明,回采期間的巷道有效斷面不小于掘進設計斷面的80%,說明高應力小巖柱煤巖互層復合頂板巷道采用高預應力錨桿、鋼筋梯子梁、錨索梁聯合支護可行,設計支護參數科學合理。

6 結論

戊9－10－22180風巷外段高應力小巖柱煤巖互層復合頂板采用錨網＋鋼筋梯子梁＋錨索梁聯合支護效果良好,完全可以代替架棚支護。采用高預緊力、大錨固力錨桿,可提高巖層間自身的粘合力,提高組合梁的強度;錨索補強、再加上強力護表和錨索梁,既能將下部煤巖互層懸吊于穩定的頂板中,又能補強圍巖表層抗壓性能,如此形成一個較為強大的承載體,具有良好的支護效果,可以滿足高應力小巖柱煤巖互層復合頂板大斷面煤巷支護要求。

[1] 郭書英,武飛岐.錨桿支護巷道礦壓監測儀的研發與應用[J].中國煤炭,2016(4)

[2] 張成文,呂坤等.復雜頂板條件下巷道合理支護參數研究[J].中國煤炭,2016(5)[3] 吳德義,申法建.巷道復合頂板層間離層穩定性量化判據選擇[J].巖石力學與工程學報,2014 (10)

[4] 張農,李桂臣等.煤巷頂板軟弱夾層層位對錨桿支護結構穩定性影響[J].巖土力學,2011(9)

[5] 種照輝,李亞楠等.煤巖互層巷道模擬試驗與控制對策[J].遼寧工程技術大學學報,2015(5)

[6] 秦香果,孫曉東.基于自然平衡拱的巷道錨桿支護技術的應用和研究[J].山東工業技術,2013 (12)

[7] 李英明,石建軍等.影響煤巷錨桿支護初錨力的主要技術因素分析[J].煤礦開采,2005(4)

[8] 吳德義,申法建.巷道復合頂板層間離層穩定性量化判據選擇[J].巖石力學與工程學報,2014(10)

[9] 李磊,柏建彪等.復合頂板沿空掘巷圍巖控制研究[J].采礦與安全工程學報,2011(3)

Research and application of bolt-mesh-cable-beam supporting technology for large-section coal roadway with compound roof

Chen Quanjian
(No.6 Coal Mine,Pingdingshan Tian＇an Coal Industry Co.,Ltd.,Pingdingshan,Henan 467000,China)

The large-section outer segment of airway ofⅤ9－10－22180 working face in No.6 Coal Mine of Pingdingshan Tian＇an Coal Industry Co.,Ltd.had coal-rock alternating compound roof with high-stress rock pillar,aiming at the rock stratum characteristics of airway,bolt-meshcable-beam combined supporting technology was adopted,and its schematic design and key technology were introduced,which achieved preferable effects in several roadway tests.

coal-rock alternation,compound roof,large-section coal roadway,bolt-mesh-cable-beam supporting

TD353

A

陳泉建(1969－),男,河南南陽人,高級工程師,中國煤炭工業協會支護專業委員會聘任支護專家,現任平煤股份六礦開掘副總工程師,主要從事開掘技術和管理工作。

(責任編輯 張毅玲)

陳泉建.復合頂板大斷面煤巷錨網索梁支護技術研究與應用[J].中國煤炭,2017,43(1):72－74,93. Chen Quanjian.Research and application of bolt-mesh-cable-beam supporting technology for large-section coal roadway with compound roof[J].China Coal,2017,43(1):72－74,93.