動壓巷道錨桿支護技術(shù)研究

1、2011年第1期doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2011.01.030能源技術(shù)與管理79動壓巷道錨桿支護技術(shù)研究程遠偉，鄒永氵名，王明，張新福（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221008）摘要單侯礦6煤層開采時，回采巷道受鄰近工作面采動影響，變形嚴(yán)重，影響到礦井的正常生產(chǎn)。分析了回采巷道嚴(yán)重變形的原因，對受鄰近工作面采動影響的回采巷道頂板和兩幫破壞深度進行了計算，在此基礎(chǔ)上為6煤層動壓巷道尋求出一種有效、合理的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案，并采用離散元模擬軟件udec對此方案的可行性進行了論證。由井下觀測結(jié)果表明，采用新支護方案后，有效控制了巷道斷面的劇烈變形，保證了礦井的正常

2、、安全生產(chǎn)，同時，也為相似條件下的錨桿支護參數(shù)設(shè)計，提供了思路和科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞回采巷道；采動影響；錨網(wǎng)索；懸吊理論中圖分類號TD353文獻標(biāo)識碼B文章編號1672-9943(2011)01-0079-030引言式存在的問題逐漸暴露出來，主要表現(xiàn)為局部片幫使部分錨桿失效，兩幫移近量加劇，從而影響到為保證礦井的正常回采，礦井的正常生產(chǎn)。因此，以單候礦N6103工作面回風(fēng)巷道為實驗區(qū)域，研究在采動條件下的巷道錨桿支護參數(shù)，以減小巷道圍巖變形量，確?；夭上锏涝谏a(chǎn)過程中的安全使用，保證礦井的正常生產(chǎn)。目前，單侯礦區(qū)回采巷道支護方法普遍采用的是錨網(wǎng)支護。但是，由于對窄煤柱巷道的穩(wěn)定性在受到鄰近工作面采

3、動影響時，造成的采動壓力沒有考慮周全，導(dǎo)致部分巷道變形嚴(yán)重，維護條件差，影響到礦井生產(chǎn)和安全。所以，本文對產(chǎn)生上述情況的原因進行了深入的、系統(tǒng)的分析，從礦區(qū)的地質(zhì)條件、圍巖性質(zhì)和采動引起破煤深度等入手，對礦區(qū)的巷道支護參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計以減小回采巷道在生產(chǎn)期間的變形，確保礦區(qū)的安全生產(chǎn)。1工程背景圖1N6103及相鄰工作面位置圖單侯礦位于河北省張家口市蔚縣涌泉莊鄉(xiāng)境內(nèi)，本礦的回采作業(yè)方式為兩采一準(zhǔn)，巷道支護采用錨網(wǎng)支護。N6101為單侯礦首采工作面，N6102工作面位于N6101首采面西側(cè)，中間留設(shè)7m小煤柱與采空區(qū)隔開，如圖1所示。由N6101工作面及相鄰工作面位置圖可以看出，隨著N6101

4、工作面回采工作面的推進以及N6102工作面回采巷道的掘進，N6102工作面進風(fēng)巷道將受到本工作面掘進和鄰近N6101工作面采動雙重的影響，另外N6102工作面進風(fēng)巷道還要受到本回采工作面采動影響。因此N6102工作面進風(fēng)巷道要經(jīng)歷由靜變形、位移壓到動壓的多次變化，巷道圍巖壓力、也相應(yīng)發(fā)生多次變化，這就使原來巷道的支護方2巷道地質(zhì)概況N6103工作面回風(fēng)巷道斷面為4.6m×3.0m，巷道沿煤層頂板掘進，回風(fēng)巷道埋深為350m，所在6煤厚度為2.853.5m，平均厚度3.15m，主要成分為絲炭夾鏡煤，中部含12層夾矸，夾矸為粘土巖，且含炭質(zhì)碎屑。直接頂為1.53.5m的粘土巖，巖性較均一

5、，細膩致密，具滑感及塑性，層理不發(fā)育。老頂為9.216.45m細砂巖，灰色巖性均一，水平層理很發(fā)育，抗壓強度4572MPa，單向抗拉強度7.1MPa，普氏硬度系數(shù)為28.3，巖性較硬。直接底為9.5516.72m粉砂巖，以泥質(zhì)為主。80程遠偉，等動壓巷道錨桿支護技術(shù)研究2011年第1期3巷道圍巖變形原因分析隨著N6101工作面的回采推進，N6102工作2000mm，間排距800mm×800mm。4.1.3巖層的離層厚度b的確定+Kycr/10b=1+Kycr/10Kycr（4）面進風(fēng)巷道壓力增大，且N6102工作面的回采巷道為煤巷，護巷煤柱寬度小，強度較低，導(dǎo)致巷道圍巖破裂區(qū)和塑性區(qū)

6、范圍增大，造成錨桿在原來的長度和支護密度下，護巷煤柱變形嚴(yán)重，頂板不能錨固在相對穩(wěn)定的巖層中，從而使巷道產(chǎn)生嚴(yán)重變形。a為相對巷道的半跨距，1.5m；Ky為頂式中，板巖層穩(wěn)定性系數(shù)，0.8；cr為錨固巖層的硬度系數(shù)，試驗測得30MPa；為巷道的側(cè)向壓力，MPa；為煤層傾角為6°。經(jīng)計算b=1.16m取錨桿外露長度和錨固段長度為850mm，由式（1）、式（2）確定巷道頂板支護參數(shù)為：錨桿長度為2200mm，間排距800mm×800mm。4.1.4錨索支護參數(shù)的確定3為了避免錨桿在相鄰工作面的附加壓力下造成深層的巖層的破壞而失效，采用錨索加強支護，對破壞頂板起到懸吊補強效果。根

7、據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，結(jié)合該礦的具體情況，采用15.24mm×7000mm錨索支護，頂板中間單排布置，間距1600mm。4.2采動影響下回采巷道的錨網(wǎng)索支護參數(shù)經(jīng)過上述研究計算，對原錨桿支護參數(shù)進行44.1動壓巷道錨桿支護參數(shù)優(yōu)化采動影響下回采巷道錨桿支護優(yōu)化設(shè)計12根據(jù)巷道錨桿支護懸吊理論在錨桿支護設(shè)計時不但要考慮本煤層的采動影響，還要考慮到鄰近采空區(qū)的固定支撐壓力的影響。結(jié)合冒落拱理論法以確定巷道圍巖受采動影響時的破壞區(qū)范圍，即巷道兩幫的破壞深度c及巷道頂板破壞高度d。根據(jù)已有實測數(shù)據(jù)和資料設(shè)計錨桿支護參數(shù)。4.1.1巷道支護參數(shù)的確定4.1.1.1錨桿長度L確定L=n+（1）式中，n為

8、錨桿的有效長度；為錨桿外露長度和錨固段之和，錨桿外露長度取150mm，錨固段長度取700mm。4.1.1.2錨桿間排距4m,n=(1/31/2)L修正、優(yōu)化。提出了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案。支護參數(shù)為：頂采用20mm長2200mm錨桿左旋螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800mm，并架設(shè)鋼筋梯和金屬網(wǎng)。幫采用18mm長2000mm圓鋼錨桿，間排距800mm×800mm，幫網(wǎng)采用塑料網(wǎng)。錨索支護采用15.24mm長7000mm錨索，頂板中間按照單排布置，間距1600mm。巷道支護斷面如圖2所示。（2）式中，m、n為錨桿間排距，結(jié)合施工成本和施工情況具體決定。4.1.2巷道兩幫破壞深度

9、C的確定因為本巷道受到臨近采空區(qū)的固定支撐應(yīng)力的影響，有冒落拱理論法的B（B為采動影響的無因次系數(shù)），取B=1.3。設(shè)此時的受壓巷道破煤深度為C，有下式確定：C=10fKCXHB-1h×tan90-"（3）圖2錨桿布置圖（錨索單排布置）KCX與斷面有關(guān)的應(yīng)力系數(shù)，取1.2；H式中，為巷道埋深，300m；為上覆巖層的平均容重，10kN/m3；f為煤的硬度系數(shù)，3.15；h為煤層厚度，3m，為巷道的側(cè)向壓力內(nèi)摩擦角，30°。經(jīng)計算C=1.02m取錨桿外露長度和錨固段長度為850mm，由式（1）、式（2）確定巷道兩幫支護參數(shù)為：錨桿長度4.3數(shù)值模擬論證本次數(shù)值模擬主要

10、是運用美國Itasca公司推出的離散元軟件UDEC來模擬驗證此方案的可行性。模擬的主要內(nèi)容：以單侯礦受采動影響的N6103工作面的回風(fēng)巷道為現(xiàn)場模型，在其受到采動影響條件下，研究巷道的表面位移、圍巖活動2011年第1期能源技術(shù)與管理81狀況；巷道塑性區(qū)范圍；巷道水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的分布情況等。從數(shù)值模擬的結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：受相鄰工作面回采影響，巷道右?guī)妥冃屋^大，最終巷道的頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平糠謩e為263mm、61.3mm、310mm、237mm；右?guī)褪芟噜徆ぷ髅娌蓜佑绊懀煽諈^(qū)上方頂板大面下沉，影響范圍大，造成頂板位移量位移矢量還有30mm大，頂部距巷道20m左右，

11、左右。盡管受到在采動和掘進雙重作用，頂部塑性區(qū)高度為4.5m左右，底部塑性區(qū)為4.0m左右，左幫的塑性區(qū)寬度為5.5m左右；右?guī)退苄詤^(qū)由于巷道開挖空間完全破壞，寬度約5.9m左右；巷道圍巖向巷道內(nèi)擠壓，使得巷道圍巖內(nèi)的應(yīng)力得到釋放，所以巷道周圍垂直應(yīng)力減小；距離巷道頂板3.5m處水平應(yīng)力最大達到20MPa。距離左幫5m左右達到應(yīng)力最大值25MPa，距離右?guī)?.6m左右達到應(yīng)力最大值30MPa。通過數(shù)值模擬論證，在此錨網(wǎng)索支護方案下，巷道變形量小，巷道支護效果好，可以達到安全生產(chǎn)的要求。產(chǎn)生離層，頂板下沉量會繼續(xù)增加，但總下沉量不大。巷道錨桿受力變化與巷道圍巖變形趨勢一致，隨著巷道變形量的增加，

12、錨桿的受力逐漸變大，但整體上看，錨桿受力偏小，左幫錨桿最大受力為35kN，右?guī)秃晚敯邋^桿受力約20kN，這主要是由于巷道變形量小，表明巷道支護效果好。1650m處測站兩幫和頂板的主要變形量集中在巷道成巷的一個月內(nèi)，以后巷道基本保持穩(wěn)定，巷道左幫的最大變形量為55mm，右?guī)偷淖畲笞冃瘟繛?0mm，頂板的最大變形量一般為25mm，頂板的變形不同于兩幫（原因同1500m測站），但總下沉量不大。錨桿受力情況基本與1500m測站處錨桿受力相同。6結(jié)論通過合理的錨網(wǎng)索支護參數(shù)的設(shè)計、優(yōu)化，有效控制巷道的強烈變形；利用錨索的懸吊補強作用，有效地控制了頂板的破壞和離層，避免了頂板的跨落和變形；以單侯礦N610

13、3工作面的回風(fēng)巷道為背景，采用離散元軟件UDEC建立了動壓巷道錨網(wǎng)索支護的數(shù)值模擬模型，論證了新的支護參數(shù)的可行性；通過錨桿支護的優(yōu)化設(shè)計，保證了礦井的安全生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟和社會效益，并為采動條件下的錨桿支護參數(shù)設(shè)計提供參考依據(jù)。參考文獻1趙慶彪,侯朝炯,馬念杰.煤巷錨桿-錨索支護互補原理及其設(shè)計方法J.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005.34(4)：5錨網(wǎng)索支護效果檢驗為了檢驗采動條件下此錨網(wǎng)索支護方案對巷道的支護效果，選擇N6103工作面回風(fēng)巷15001700m段作為實驗區(qū)域，布置兩組礦壓觀測站，即：在N6103工作面回風(fēng)巷1500m處，左右兩幫各布置四個測點，距煤壁距離分別為1m、2m、3m、4m，頂板布置兩個測點，距頂板距離分別為4m、7m；在N6103工作面回風(fēng)巷1650m處，左右兩幫各布置四個測點，距煤壁距離分別為1m、2m、3m、4m，頂板布置兩個測點，距頂板距離分別為4m、7m。觀測結(jié)果為：1500m處測站兩幫和頂板的主要變形量集中在巷道成巷的一個月內(nèi)，以后巷道基本保持穩(wěn)定，巷道左幫的最大變形量為50mm，最小變形量為10mm，右?guī)偷淖畲笞冃瘟繛?5mm，最小變形量為5mm，頂板的最大變形量一般為1525mm，頂板的變形不同于兩幫，這主要是頂