深部回采巷道超前錨索梁錨固方案研究

深部回采巷道超前錨索梁錨固方案研究

采區(qū)位于采煤景觀規(guī)劃的前方，尤其是在前方的空間較小、設(shè)備多、員工多，受采動和各種安全壓力的影響，礦壓復(fù)雜。特殊的空間環(huán)境使該區(qū)域或其他區(qū)域容易存在安全隱患。煤路返回和前方段的有效安全控制一直是樁巖圍巖控制的重點和難點。采用液壓金屬支架進行超前支護主要有3方面不足：1)需要專人進行操作和維護，達不到減員增效的目的；2)占用巷道作業(yè)空間，給其它工序施工帶來較大影響；3)液壓支架每次移動均需進行加載、卸載作業(yè)，對頂板圍巖會產(chǎn)生一定的破壞作用。研究和實踐表明，工作面回采時，以錨網(wǎng)索方式來實現(xiàn)對回采巷道的超前控制，通過發(fā)揮錨索梁的主動錨固作用，顯著提升巷道錨固巖體的強度、剛度及承載能力、抗變形能力，既能更好地滿足回采巷道安全使用的生產(chǎn)要求，又可以解決棚式支護所存在的主要問題和不足。1巷道采方式確定新橋煤礦隸屬于河南永煤集團股份有限公司，已經(jīng)進入深部開采，并呈現(xiàn)出較為明顯的深部巷道圍巖變形破壞特征。近幾年來，新橋煤礦實行“一面三巷”的大采長工作面回采方式，即一個采煤工作面傾向長約380m，共布置上平巷、中平巷和下平巷3條回采巷道。為了控制巷道變形量和實現(xiàn)安全回采，該礦對3條平巷都采用液壓支架進行超前支護，下平巷還同時配備“單體柱+π型鋼梁”進行補充支護，方能滿足巷道使用要求。為此，提出以“錨桿-錨索-鋼帶”或“錨索-鋼帶”主動錨固來取代液壓支架超前支護的技術(shù)思路，并選擇該礦2301綜采工作面的中平巷來進行超前錨固試驗。2301中平巷位于南三采區(qū)，埋深-673m，總長度1930m左右，沿二2聯(lián)合錨定方案2.1協(xié)同錨固機理式研究表明，采用錨網(wǎng)索材料對工程巖體進行錨固時，通過對影響巷道圍巖錨固系統(tǒng)的幾何特性參數(shù)、物理特性參數(shù)、力學(xué)特性參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性參數(shù)等參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化，在提升子系統(tǒng)自身功能的基礎(chǔ)上，促使子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)合作、相互作用、互為結(jié)果，一方面充分調(diào)動和發(fā)揮各子系統(tǒng)的最佳性能，另一方面促使錨固系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同錨固作用和協(xié)同增強效應(yīng)，從而有效提高錨固巖體強度、剛度、承載能力、抗變形能力和整體穩(wěn)定性，更好地實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、高效的巷道圍巖控制目標(biāo)和要求，即協(xié)同錨固機理式中：P基于協(xié)同錨固機理研究，在工程實踐中逐步建立包含錨桿(索)預(yù)緊力、錨桿(索)錨固力、錨桿(索)長度、錨桿(索)鉆裝角度、錨桿(索)布置方式及密度、錨桿(索)變形、錨固巖體強度、錨固巖體剛度等在內(nèi)的協(xié)同作用機制及錨固技術(shù)，并取得了明顯成效。因此，協(xié)同錨固更適合于巷道圍巖控制的本質(zhì)要求，決定在2301中平巷采取錨網(wǎng)索協(xié)同錨固方式來取代液壓支架超前支護方式。2.2錨桿錨固力檢測2301采面中平巷從掘進到開始回采的時間跨度長達2a左右，出于安全考慮，需要對原來施工的錨桿(索)錨固力進行檢測，以探知錨桿(索)錨固力和錨固質(zhì)量狀況。1)錨桿錨固力檢測。在試驗段每隔10m左右布置1個測站，采用錨桿拉拔計分別對頂板、幫部錨桿進行錨固力檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)為拉力達到200kN時，錨桿沒有發(fā)生拉脫、拉松等現(xiàn)象。頂板錨桿共抽檢12根，不合格率為25%，幫部共抽檢6根，不合格率為33%，表明錨桿存在錨固力弱化或施工不良的情況。2)錨索錨固力檢測。與錨桿相對應(yīng)，每隔10m左右布置1個測站，對頂板錨索進行錨固力檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)為拉力達到280kN時，錨桿沒有發(fā)生拉脫、拉松等現(xiàn)象。共檢測了12根錨索，不合格率達到33%，表明錨索同樣存在錨固力弱化或施工不良的情況。檢測結(jié)果表明，該巷道原有錨桿(索)錨固能力不足，需要重新進行加固，才有可能取代棚式超前支護。而且，考慮到巷道圍巖已經(jīng)發(fā)生較大范圍的破碎與松動，此時再補打錨桿所能提供的控制范圍有限，而且會增加較大工作量，故選擇以“錨索+鋼帶(或金屬梁)”(簡稱錨索梁，以下同)進行重新錨固，以實現(xiàn)取代液壓支架超前支護的目標(biāo)。2.3錨索錨固結(jié)構(gòu)確定由于本試驗研究的目標(biāo)是采用錨索梁錨固來取代液壓支架超前支護，假定回采時所產(chǎn)生的綜合荷載均由新安裝的錨索梁來承擔(dān)，所以在進行錨索梁錨固參數(shù)計算時，對巷道原有錨網(wǎng)索尚存的錨固能力不予考慮，相當(dāng)于錨索梁與液壓支架的承載能力等同，以簡化對問題的研究和解決。1)采動影響下頂板冒落高度計算。根據(jù)回采巷道變形破壞規(guī)律，采用自然平衡拱理論計算動載作用下頂板的冒落高度，再反推出錨索布置密度、錨固力等參數(shù)。自然平衡拱理論計算原理如圖1所示。在動載作用和影響下，煤層巷道巷幫破壞深度C由式(2)確定：式中：K根據(jù)2301中平巷的斷面尺寸和相關(guān)文獻可知，K頂板巖層的破壞深度b按相對于層理的法線計，可根據(jù)式(3)求出：式中：a為巷道的半跨距，m；α為煤層傾角，(°)；k考慮現(xiàn)場實況，取a=2.2m；煤層傾角取平均值，即α=8°；頂板巖體在動載下發(fā)生破壞，故取待錨巖層的穩(wěn)定性系數(shù)k2)錨索錨固參數(shù)計算。出于具體施工情況和安全考慮，假定錨索的最終作用僅表現(xiàn)為被動懸吊，即只要被動懸吊時是安全的，則主動錨固時就更為安全，故采用懸吊理論計算錨索的相關(guān)參數(shù)。錨索長度。錨索長度采用式(4)計算：式中：L為錨索長度，m;L根據(jù)式(3)計算結(jié)果可知，錨索有效長度至少為頂板的冒落深度，即L考慮到錨固端所處巖層的位置和錨索傾斜鉆裝的影響，最終設(shè)計錨索長度為8.2m。錨索間排距。按照高錨固力要求，錨索寧可被拉斷也不能拉脫，所以錨索錨固力設(shè)計應(yīng)不小于被懸吊的不穩(wěn)定巖層的重量，用式(5)計算：式中：Q為錨索設(shè)計錨固力，MN;K為安全系數(shù)，一般取1.5～2;a礦方現(xiàn)用錨索直徑為21.6mm，抗拉強度F取安全系數(shù)K=2.0，當(dāng)錨索錨固力滿足要求時，可視其錨固力與索體的破斷力相等，則錨索間排距乘積為：根據(jù)現(xiàn)場施工條件，錨索間距a考慮到錨固劑最終效能、動壓影響、安全要求和現(xiàn)場施工條件等，最終選擇錨索間距為0.9m左右，排距為1.6m左右。此時，錨索錨固的安全系數(shù)約為4.0左右，從理論上能夠滿足回采巷道的安全要求，但需要進行工程試驗后方能確定，并采取有效的安全防范措施。2.4錨索梁錨固施工2301中平巷采用液壓支架進行超前支護的距離約40m?？紤]采面回采進度和錨索梁錨固施工的時空關(guān)系，在超出工作面采動影響的范圍外進行錨索梁錨固施工。隨著工作面的回采，待液壓支架挪移至新安裝的錨索梁位置時，則不再使用液壓支架進行超前支護。出于安全作業(yè)考慮，分為3個試驗段，對應(yīng)地設(shè)計了A,B,C這3種錨索梁錨固方案，其時空關(guān)系如圖2所示。2.4.1a方案錨索安裝施工A方案試驗長度為40m。由于巷道原有錨桿(索)錨固能力存在明顯的弱化現(xiàn)象，而且是試驗初段，該方案在補打5列錨索梁的基礎(chǔ)上，再用“單體柱+π型鋼梁”進行保護性支護，且為“1梁2柱”方式。根據(jù)協(xié)同錨固機理及技術(shù)，5列錨索梁錨固參數(shù)設(shè)計如下：1)頂板錨固設(shè)計。如圖3(a),(b)所示，主要錨固參數(shù)為：(1)錨索規(guī)格為Φ21.6mm×8200mm，共鉆裝5列錨索，間排距為900mm×1600mm。頂板軸中線處錨索沿法向安裝，兩側(cè)錨索與法向成30°角偏向幫部安裝。錨索均使用“2條MSK2550+2條MSZ2550”錨固劑，錨固長度不少于2000mm，預(yù)緊力為160kN左右；(2)軸中線與靠幫兩側(cè)處3列錨索采用鋼帶沿走向進行“連續(xù)式”連鎖，它們中間處2列錨索則進行“間斷式”連鎖。2)高幫錨固設(shè)計。如圖4(a),3(b)所示，主要錨固參數(shù)為：(1)高幫每排鉆裝3根中錨索，規(guī)格為Φ21.6mm×4500mm，間排距為1200mm×1600mm，腰線處錨索垂直圍巖表面鉆裝，底角錨索下扎30°、頂角錨索上偏15°鉆裝。錨索使用“1條MSK2550+2條MSZ2550”，錨固長度不少于1500mm，預(yù)緊力為140kN左右；(2)沿巷道走向使用鋼帶將錨索縱向連鎖，腰線處錨索采用“連續(xù)式”連鎖，底角及頂角錨索采用“間斷式”連鎖。3)低幫錨固設(shè)計。如圖4(b),3(b)所示，主要錨固參數(shù)為：(1)低幫每排鉆裝2根中錨索，間排距為1800mm×1600mm，其它錨固參數(shù)同高幫；(2)沿巷道走向使用鋼帶將錨索進行“間斷式”連鎖。4)鋼帶設(shè)計。采用T型鋼帶，長度3600mm，眼距1600mm，每根鋼帶布置3個眼孔，眼孔加工成橢圓形，長邊約80mm，弧邊直徑約30mm，兩端預(yù)留長度200mm。5)安全支護設(shè)計。完成A方案錨索梁錨固施工后，又根據(jù)現(xiàn)場實況分為2小段，每小段各20m長。第一小段采用“1梁2柱”方式進行安全支護，但在回采時單體柱及π型梁承載作用不明顯，于是在第二小段取消了安全支護方式，完全由錨索梁來實現(xiàn)超前承載。2.4.2頂板錨固參數(shù)設(shè)計為了與A方案形成對比分析，通過研究及計算，將頂板錨索梁布置改為3列，且同樣不采取安全支護方式，以求證降低錨索梁布置密度后可能出現(xiàn)的情況。頂板錨固參數(shù)及幫部錨固設(shè)計同A方案。該方案錨索梁錨固設(shè)計如圖5(a),(b)所示。2.4.3巷道錨桿索加固方案考慮到A方案布置時距離采面相對較近，有可能受到回采動壓的超前影響，而B方案亦有可能因A方案不足而受到影響，加上巷道原有錨桿(索)施工質(zhì)量及錨固力存在不足，在前期計算研究的基礎(chǔ)上，決定繼續(xù)采用補打5列錨索梁方式進行超前錨固，且試驗長度增加到50m，以排除采面回采時超前動壓的作用和影響，取得較為真實的試驗數(shù)據(jù)和效果。該方案設(shè)計圖及錨固參數(shù)同A方案，實際施工效果見圖6。2.4.4錨固方案調(diào)查區(qū)變形量和支護密度為了監(jiān)測巷道變形量和錨索的承載情況，在進行A,B,C方案施工時，每個試驗段都布置3～5個測點，選取頂板和幫部錨索錨索安裝壓力盒，并每天都安排人員進行專門量測。1)巷道變形量對比分析。對A,B,C這3個方案的頂板下沉、底鼓及兩幫縮進量數(shù)據(jù)進行處理，如圖7所示，進行對比分析可知：對于頂板下沉量最大值，A方案前20m為124mm，后20m為186mm,B方案為115mm,C方案為62mm；對于底鼓量最大值，A方案前20m為230mm，后20m為592mm,B方案為251mm,C方案為173mm；對于高幫收縮位移量最大值，A方案前20m為107mm，后20m為322mm,B方案為120mm,C方案為120mm；對于低幫縮進位移量最大值，A方案前20m為110mm，后20m為168mm,B方案為231mm,C方案為66mm。從多個實測數(shù)據(jù)上來看，B方案變形量最大，是因為錨索梁布置密度最小，整體錨固能力下降所至；A方案次之，且后20m比前20m變形量大，是因為前20m有單體柱作為補充支護；C方案變形量最小，表明該方案的控制效果最好，且滿足采面回采時巷道的安全使用要求。2)錨索受力對比分析。如圖8所示，對A,B,C這3個方案的錨索受力情況進行對比分析可知，3個方案均為頂板錨索受力較大，幫部次之，且錨索受力最大值均在錨索的承載能力之內(nèi)，其中：A方案前20m頂板錨索受力最大值為46MPa，幫部錨索受力最大值為38MPa;A方案后20m頂板錨索受力最大值為44MPa，幫部錨索受力最大值為45MPa;B方案頂板錨索受力最大值為52MPa，幫部錨索受力最大值為21MPa;C方案頂板錨索受力最大值為30MPa，幫部錨索受力最大值為23.5MPa。從多個實測數(shù)據(jù)來看，C方案的頂板錨索受力最小，表明該方案的錨索梁錨固效果最好，且滿足采面回采時巷道的安全使用要求。3減員增效措施1)采用錨索梁對回采巷道進