复杂顶板条件下锚杆锚索联合支护技术

技术与经济　　　　　　　　　《内蒙古煤炭经济》　　　　　　　　　　2004年增刊

复杂顶板条件下锚杆锚索联合支护技术

赵天明

(大同煤矿集团公司四台矿,摘　要:四台矿在复杂条件顶板煤巷以及顶板破碎,成功使用锚杆、锚索加强支护,取得很好的支护效果,,对技术经济效益进行了分析。

关键词:复杂顶板;锚杆;;:TD353.9　文献标志码:C　文章编号:1008-0155(2004)07-0082-02

一、工程及地质概况

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11层410盘区位于四台矿井田南部,五九公路西部,大西沟东部,黑豆沟北部;井下北部为二台村保护煤柱及四台矿主、副斜井工业广场保护煤柱;煤层平均厚度为2.15m,可采储量625.6万t,面积4.3km2。

三条主要盘区巷道(410-1、410、410-2)为半煤岩巷及煤巷,支护为锚杆索网喷的形式;工作面顺槽为半煤巷及煤巷,支护为锚杆、锚索的支护形式;在掘进过程中,共揭露七条大小不等的断层(其中最大落差10m)及直径约460m的特大陷落柱。

11#层410盘区轨道巷向井田南部直至工作面顺槽停掘位置,所穿煤层均为北高南低的单斜构造,结构比较简单。该区域煤层顶板岩层中夹泥岩较多,质地较软,给掘进巷道顶板支护带来很大困难。

从盘区准备巷道(410-1、410、410-2)及81011工作面顺槽的掘进过程揭露的煤系地层地质情况来看,所揭露煤层,厚度平均为1.64m,最薄煤层为1.20m,最厚煤层为2.30m,直接顶平均厚度为6105m,最薄段为1.10m,最厚段为11.0m,呈灰色细砂岩及中粗白砂岩互层,夹很多黑色泥岩,老顶呈灰白色粗砂岩,以石英、长石为主,泥质多,平均厚度为6.37m;伪顶呈灰黑色砂质泥岩,砂粒上多下少,底部炭质多,平均厚度为0.33m,在掘进过程中,岩石松软、破碎、易垮落,尤其是在断层破碎带处,在工程力的作用下会产生显著的塑性变形和流变,顶板管理实的困难。

二、锚杆支护的“关键承载圈”理论

该理论认为:回采巷道围岩的变形和破坏和状态在掘进、稳定、回采等不同阶段是不同的,具有显著差别。因此主张根据围岩的状态特点按“关键承　　收稿日期:2004-08-18

作者简介:赵天明,现在大同煤矿集团公司四台矿工作。

载圈”理论分析设计锚杆支护。

关键承载圈是指在巷道围岩一定的深度范围内,存在一个能承受较大切应力的“岩石圈”,该岩石圈处于应力平衡状态,具有结构上的稳定性,可以用来悬吊承载圈以内的岩层。关键承载理论认为,承载圈以内的岩石重量是支护的对象,即承载高度。承载圈厚度越大,在对围岩未采取人工支护等控制措施时,承载圈离巷道周边越近,荷载高度越低,巷道越易维护。关键承载圈理论认为,当承载高度不太大,通常锚杆长度能够伸入到关键承载圈中时,用关键承载圈观点阐述锚杆支护机理。其主要观点是:

11关键承载圈以内的岩石重量是支护的对象,荷载高度是关键关键承载圈以下的不稳定岩层的高度。

21锚杆的支护作用主要是:将破坏区岩层与关键承载圈相连,阻止破碎岩层垮落;对围岩提供径向、切向约束力,阻止破坏区岩层的扩容、离层、滑动,提高破碎区的承载能力。

三、锚杆支护“扩容———稳定理论”

巷道经受采动影响之后,围岩的破坏范围会逐渐扩大,当通常锚杆的长度不能插入到关键承载圈时,依据“扩容———稳定理论”阐述锚杆支护的作用,其主要观点有:

11锚杆要控制围岩的扩容变形,阻止深部破碎岩层的进一步扩容和离层。

21在破坏区内形成“次生关键承载层”,使围岩深部关键承载圈内的应力分布趋于均匀和内移,提高关键承载圈的承载能力。

31锚杆对煤帮的控制效果尤为明显,由于煤层强度较低且受到采动影响程度较为严重,所以回采巷道两帮支护显得尤为重要,安装锚杆后,对煤

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帮的扩容、松动和挤出均有控制作用。“扩容———稳定理论”的核心思想就是控制围岩的扩容变形,形成次生关键承载层,提高承载圈的承载能力使围岩趋于稳定。次生关键承载层的厚度的影响因素很多,当其厚度较薄且远小于巷道尺寸时,在水平应力的作用下,次生关键层很容易发生“压曲失稳、弯曲失稳”的破坏,造成巷道支护失败。因此,合理确定次生关键承载层的厚度至关重要。锚杆的存在,减小了岩层压曲或者弯曲失稳的可能性,锚杆预紧力越大,支护效果越好。

四、11#层410盘区顶板支护理论计算及多种顶板岩性条件下支护方式的选择

11采用普氏平衡拱理论进行锚杆支护参数设计:

C=[krHB cos(a/2)/(1000 fckc)-1]×h tg(45°-∮/2)式中C———挤压破碎深度,m;　　k———,7;　　r———,m3;　　H———,228.;　　B———,半煤岩巷

取0.5;

fc———岩层普氏系数,取(4～7);　　a———煤层倾角,取1.8°;　　h———巷道掘进高度,(2.6m～3.1m);　　kc———煤体完整性系数,取0.4;　　∮———煤体内摩擦角,取54.8°。

数据代入上式,可得C=0.82～1.13交叉点潜在垮落高度b=(a+c) cosa/(kyfr)式中:a———巷道有效高度一半,取(1.3～1.6)m;　　ky———顶板岩性系数,取0.4;　　fr———顶板普氏系数,取(4～7)。

计算得:b=2.1m～2.76m

顶板潜在垮落高度为2.1m～2.76m,所以只用锚杆不能满足支护要求,必须在锚杆支护的基础上采用锚索加固。

21锚索长度的确定:L=L1+L2+L3L———锚索长度,m;L1———锚索外露长度,取0.3m;L2———锚索有效长度,巷道顶板潜在破坏范围

2.1m～2.76米;

L3———锚索锚固长度,设计长度1.20m。计算得L=3.6～4.26m

所以,锚索总长可以控制顶板最大范围内的冒落,但我们从前面的顶板论述分析得知:11#410盘区煤层顶板岩性疏松、质地较软、层理发育、且破碎,为了更好地保证安全,在施工中我们坚持使用:

树脂锚杆:锚杆为∮16×1700mm(或2000mm)的螺纹钢锚杆;

树脂锚索:锚索为∮16×5000mm的钢绞线;砼托板规格为:长×宽×厚=600×180×100mm的混凝土托板,中心孔径∮20mm;

树脂凝固剂为:MSK-35300,2333,∮23×600(300)mm。每根锚杆用一长一短药锚固,锚固长度

900mm,锚栓钻孔深度1.55m。

五、实际掘进中顶板岩性地质情况及顶板支护技术

11在盘区准备巷道的掘进过程中,所揭露煤层顶板为层片状泥质细砂岩与白色中粗砂岩互层,结构简单且比较稳定。单一稳定煤巷中按设计支护均可很好地维护顶板,只是进入10#～11#合并层,巷道沿煤顶掘进留了较厚煤顶,只好在原锚杆支护设计的基础上适当补支锚索支护,顶板管理效果良好。

213-4排,间排距1000×900(mm),,用600mm长的树脂锚固剂-3卷～1600mm,施加预,1～2排锚索,5～6.0m。

6～7排锚杆的基础上,再3～4排锚索,孔深4.7～5.7m,使用三卷600mm长的树脂锚固剂卷,锚固长度1800mm,间距1500～2000mm,排距2-3m使用小钢梁托板,施加预紧力70～100kN以上。

我矿410盘区煤层顶板软岩具有高应力、低强度和易膨胀、流变的特点及形成大陷落柱时期,整个煤系地层受陷落柱的牵连使得煤层顶板岩层受东西向的水平张力较大,而南北方向的水平张力相对较小,以至在掘进盘区巷道时南北方向张力较小,顶板不易断裂而维护起来容易,在掘进工作面顺槽时,东西方向的张力较大而将巷道顶板张拉,使顶板岩层容易断裂、破碎,顶板难以维护等特殊的地质特点。根据支架与围岩共同作用原理,软岩巷道的围岩控制必须进行二次支护。巷道开挖后先进行锚杆支护,允许围岩具有一定的变形,使围岩应力重新分布,锚杆预应力作用使围岩逐渐形成具有自承能力的挤压拱结构,支护体与围岩共同形成一个初步的承载结构:当围岩产生一定的径向位移使围岩得到一定程度的释放后围岩变形趋于稳定。然后再进行二次支护,二次支护为锚索加喷层支护,一般锚索支护滞后锚杆支护10～30m,喷浆支护滞后锚杆支护30～50天,喷层厚度达8～10cm,尤其在顶板极其破碎,常有较大零皮零块脱落地带,为了防止漏顶,在原顶板联合支护(锚杆4根/米、锚索3根/米)基础上再加大锚索支护密度,并在顶板更为破碎或矿压显现明显地带架设工字钢锚索吊梁棚子,并用刹顶木严密刹顶。

六、支护效果锚杆、锚索、喷浆的联合支护技术主要解决了我矿410盘区软岩复合顶板、复杂顶板条件下的巷道支护和维护困难的问题,降低了生产成本,实现了安全生产。取得了较好的技术经济效益。

采用锚喷、锚索联合支护方式使巷道支护工艺简化,减轻了工人的体力劳动强度,提高了单进水平,使掘进支护时间缩短,提高了掘进效率。

与架棚支护相比,采用锚喷、锚索支护所取得的经济效益十分明显。架棚时棚距1m,巷道净支护费用大约400元/m,而锚喷、锚索支护的全部费用140元/m,每米巷道可以节约260余元。

(责任编辑:熊红婴)

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