魯南地區3上煤層回采巷道“高強度、低密度”支護技術探索

七五生建煤礦 山東 濟寧 277600

近年來,煤炭資源高強度大規模開采,使回采巷道大幅度增加,加之開采深度、開采條件限制等,回采巷道支護與快速掘進難度加大。因此能否經濟有效地控制高應力煤巷穩定性,實現快速掘進,成為現代化礦井亟待解決的關鍵問題之一。本文針對魯南地區滕南煤田,七五煤礦3上煤層211運輸巷,采用高強度低密度注漿錨索支護工藝為研究對象,對煤礦的新型支護方式展開探索研究。

根據對3上211運輸巷頂板巖層松動圈實測結果可知,巷道原支護條件下圍巖屬Ⅱ類中松動圈,運輸巷頂板的完整性好,頂板淺部區域有破碎、離層或裂隙發育現象;離層及破碎帶位于0.5m以內,裂隙發育帶位于1m以內。為加強巷道頂板完整性及穩定性,并適應回采期間的動壓擾動影響,需及時增強支護強度。考慮到現有的錨桿(索)支護理論與技術支護密度大、速度慢的現狀,嚴重制約掘進速度,加劇采掘接續的緊張程度等問題,提出了“高強度、低密度”支護技術理念。

1 基于“有效承載層厚度”頂板疊加梁理論

煤巷厚層頂板分層呈近水平層狀分布,各厚層頂板分層都具有一定的抗剪強度、抗壓強度和抗拉強度,而各層之間相互粘結力較弱,為簡化力學模型,忽略各層之間相互粘結力,并假設n層巖梁的各巖層具有相同的幾何特征和力學特性,利用力學中的變形連續條件、靜力平衡條件以及迭加原理,考慮上部巖層垂直荷載和水平構造應力的聯合作用,對層間不具有粘結力的煤巷頂板疊(組)合巖梁內力進行分析。

1.1 煤巷頂板疊(組)合巖梁內力計算 建立在垂直荷載和水平構造應力聯合作用下頂板疊(組)合梁受力模型如圖1-1、圖1-2所示。

圖1-2 頂板組合巖梁受力

圖1-1 頂板疊合巖梁受力模型模型

煤巷厚層頂板分層疊(組)合巖梁在垂直均布荷載和水平構造應力聯合作用下發生彎曲變形。由材料力學理論可得疊(組)合巖梁在荷載作用下最下層跨中的撓度、彎矩和跨中下側的最大拉應力為:

式中:q為組合巖梁所受垂直均布荷載,單位N/m3;l為巖梁跨度,單位m;b為組合巖梁沿巷道方向單位寬度,單位1。

1.2 錨固前后巖梁內力對比分析 由式(1-1)、(1-2)可知,在垂直荷載和水平荷載聯合作用下,采用錨桿支護后組合巖梁最大拉應力小于疊合巖梁的最大拉應力,并且組合巖梁與疊合巖梁的最大拉應力之比與巖梁的疊合層數、層高、巖梁厚度、彈性模量、跨度、垂直荷載及側壓力系數有關。

采用錨桿對巷道頂板進行支護后,不僅增加組合梁各巖層之間的抗剪強度,使組合梁成為一個整體,增大頂板疊合梁各巖層厚度,相同載荷情況下巖梁巖梁的撓度會隨組合梁的分層厚度的增加而呈指數增加,抗彎曲能力會隨組合梁的層數的增加而減小,而且可以通過施加預緊力的方式,改善圍巖應力狀態,降低頂板橫向載荷,減小側壓系數,達到優化圍巖控制的效果。

2 “高強度、低密度”支護設計

3上211運輸巷直接頂為平均厚度僅1.85m的泥巖,而基本頂為平均厚度達16.1m的砂巖泥巖。直接頂與基本頂均屬于典型的層狀沉積巖層,互層之間的膠結比較薄弱,容易產生離層。建立疊加梁力學分析模型,對3上211運輸巷支護方案進行設計。

圖2-1 疊加梁模型示意圖

圖2-2 組合疊加梁模型示意圖

2.1 有效錨固長度確定 在豎向荷載作用下復合頂板發生撓曲變形。在撓曲變形過程中,由于第1層厚層頂板分層為堅硬巖層,撓度小于第i-1層,而不與其下部巖層協調變形的巖層,并控制其上n層厚層頂板分層,與第i+1層-至第i+n層具有相同的變形曲率。第i+n層厚層頂板分層對第i層所形成的載荷為(q i+n)i,計算公式如(2-1)所示:

其中,表示第i+j層厚層頂板分層的彈性模量,單位Pa,γi+j表示第i+j層厚層頂板分層的容重,單位N/m3,h i+j表示第i+j層厚層頂板分層的厚度,單位m。

若第i+n層疊加梁與第i+n+1層疊加梁間不發生離層,則

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

否則第i+n層疊加梁與第i+n+1層疊加梁間發生離層,即滿足

(q(i+n+1))i≤(q(i+n))i(2-3)

從煤層上方第i層巖層開始往上逐層計算,當滿足式(4-3)則不再往上計算,此時從第i+n層與第i+n+1層堅硬厚層頂板間分層發生離層。按上述方法確定離層位置,計算有效錨固長度(離層發育范圍)為3.5m。

2.2 錨索預緊力的確定 錨索安裝后可立即施加高預緊力,使錨索及時承載,能夠有效抑制離層產生,降低頂板管理難度。當用錨索將若干疊加梁錨固后形成組合疊加梁,如圖2-2所示。復合頂板組合疊加梁在垂直均布荷載和水平構造應力及錨索預緊力聯合作用下發生彎曲變形,而不發生離層,則預緊力需滿足:

其中,[(q(i+n))i-(q(i+n+1))i]j表示第j層離層上下厚層頂板分層作用于第1層厚層頂板分層的載荷差值。

確定錨索預緊力不小于180k N。

2.3 支護參數確定 經上述理論計算與分析,提出如下支護方案:巷道頂板布置3根1×7股的Φ21.8×6200mm高強度錨索(破斷荷載不低于380k N,延伸率不小于3.5%),間排距為1600×1200mm,預緊力不低于180k N,采用規格為4200×180×3mm的W鋼帶,采用規格為4200×1170mm的φ6.5mm鋼筋網。巷道幫部布置4根Φ20×2200 mm無縱肋螺紋鋼錨桿,間排距均為1100×1200mm,頂角與底角錨桿與幫部成15°,采用規格為4000×80×3mm的M鋼帶,采用規格為4500×1100mm的10#鐵絲金屬菱形網。支護示意圖如圖2-3所示。

圖2-3 3上211運輸巷支護斷面示意圖

3 技術綜合比較

高強度低密度回采巷道支護設計,因注漿錨索獨有的注漿支護,注漿液充填到頂板裂隙中,使破碎頂板凝結成整體,較好的控制頂板及圍巖的穩定性,較原先普通錨桿錨索巷道支護,增加了支護強度,同時因支護數量的減少,從而直接減小巷道頂板及圍巖的擾動性,間接提高了巷道支護安全。

注漿錨索滯后支護,加大了巷道支護排距,較之前支護排距平均擴大200mm,與原先支護方式相比,每百米綜合減少支護材料約170根,相當于多增加11米工程量。