大采深動態(tài)壓力下回采巷道

1、大采深動態(tài)壓力下回采巷道支護方案研究,摘 要 本文通過巷道圍巖受力變形規(guī)律的分析，提出有利于軌道巷圍巖穩(wěn)定的斷面形狀和斷面尺寸。在此基礎上，根據(jù)圍巖變形量以及滿足8405軌道巷通風、行人、運輸?shù)纫蟮那疤嵯?，確定8405軌道巷合理的支護方式。 關鍵詞 大采深；動態(tài)壓力；回采巷道；斷面形狀；支護方式,1 前言 新礦集團良莊煤礦已進入深部開采，八采區(qū)位于良莊礦井田深部（東北部）西以F1 3斷層為界，東至孫村礦F8斷層，南至孫良邊界，北至西周井田。上限標高：-550m，下限標高-1000m，平均埋深950m。大采深動壓下回采巷道兩幫變形和底撫的防治研究還處于實驗階段，國內外還沒有一種通用的行之有效的

2、防治手段，目前只能根據(jù)具體的地質條件和采掘狀況分析其機理并采取一定的防治措施。鑒于良莊煤礦的實際情況，一方面要開展支護方案的工業(yè)性實驗，另一方面需對支護材料進行研究。通過這兩方面的研究工作，探索出適合于本礦覆巖賦存狀況和采掘條件的防治兩幫變形和和底臌的有效支護措施，這對于良莊煤礦來說具有重要的現(xiàn)實意義。,2 支護方案 根據(jù)8404軌道巷在圍巖壓力和回采工作面動態(tài)支承壓力的雙重作用下，巷道兩幫和底臌變形極為嚴重，同樣在本區(qū)待掘的軌道巷也會發(fā)生類似的情況。因此，對于變形嚴重的回采巷道，若采用剛度很大的支護材料進行支護，將在膨脹壓力作用下導致支護失敗，若支護材料剛度過小，巷道變形不能得到有效抑制，最

3、終巷道也會因變形過大而發(fā)生坍塌報廢，這兩種情況在工程實踐中都已得到證實。所以，對于受圍巖壓力和動態(tài)應力作用的回采巷道，并且圍巖類別為級及以下時，巷道只能采用“柔中帶剛、剛中帶柔”的材料進行支護。經過論證分析確定軌道巷采用“錨梁網索聯(lián)合支護”方案。,3 支護方案分析 “錨梁網索聯(lián)合支護”方案是針對良莊煤礦大采深回采巷道受圍巖壓力和動態(tài)支承壓力防治底臌和兩幫變形的目的提出的。該方案由于錨桿和錨索打入圍巖內部，對圍巖起到加固作用，并且安裝時根據(jù)施加的預緊力大小可及時地向圍巖提供主動抗力，以后隨圍巖變形主動抗力將逐漸增加，同時圍巖的自承能力也得到充分發(fā)揮。所以，該支護方式的上述優(yōu)點是任何一種支護形式都

4、無法比擬的。同時，該支護方式機械化程度交稿，施工工藝簡單，支護成本相對較低，符合現(xiàn)代支護理論。,“錨梁網索聯(lián)合支護”用在受動壓作用而兩幫變形和底臌極為嚴重的回采巷道中，關鍵在于錨桿和錨索的支護參數(shù)及布置方式，尤其是布置方式，同樣的支護參數(shù)因布置方式不同，對防治兩幫變形和底臌會得到不同的效果。下面從力學原理角度重點研究錨桿和錨索的支護參數(shù)和布置方式。,4錨桿、錨索支護參數(shù)計算 4.1計算條件 (1)地質條件 八采區(qū)軌道巷平均埋深936.7m，沿煤4頂板布置，平均傾角為19.5，煤體硬度系數(shù)f=1.2。老頂為中砂巖，平均厚度10.57m，硬度系數(shù)f=5-6。煤層上下偽頂和偽底均為炭質頁巖，平均厚度

5、分別為0.05m和0.07m。直接底為泥質粉砂巖，平均厚度為1.0m，硬度系數(shù)為f=4-5。老底為粉砂延和細砂巖互層，平均厚度為27.0m，硬度系數(shù)為f=4-7。,(2)采掘條件 軌道巷除受圍巖壓力以外，前后將受到8404和8405回采工作面動態(tài)支承壓力的影響，使得圍巖支承壓力急劇升高，根據(jù)疊加原理，應力集中系數(shù)可達到3.5，即k1=3.5。 (3)軌道巷斷面尺寸 根據(jù)軌道巷斷面尺寸的優(yōu)化分析，在不破壞穩(wěn)定的橢圓邊界和保持頂板巖層完整的前提下，確定斷面為不規(guī)則矩形，斷面寬度為3500mm，最大和最小高度分別為3000mm和1760mm，平均高度為2380mm。,(4)軌道巷圍巖的物理力學參數(shù)

6、煤層：容重r=0.013MN/m3，粘聚力c=1.5Mpa，內摩擦角=30，煤體的單向抗壓強度因缺乏試驗材料，可根據(jù)煤體的硬度系數(shù)反推得到。由普氏理論公式f=Rc/10，將煤的硬度系數(shù)f=1.2代入，得煤體樣本的單向抗壓強度，而處于實際賦存狀態(tài)的煤體，單向抗壓強度還需乘0.6的強度降低系數(shù)，即得煤體實際狀態(tài)的單向抗壓強度，其值為7.2Mpa。 巖層：容重r=0.027MN/m3，粘聚力c=0.48Mpa，內摩擦角=40，巖體的單向抗壓強度與上述分析方法相同需經過反推得到，其值為31Mpa。,4.2錨桿長度計算 (1)軌道巷兩幫錨桿長度：根據(jù)工藝要求和錨桿的承載原理，錨桿設計總長度應為： 式中：

7、 l1錨桿外露長度，一般取100 mm l2為爆破作業(yè)造成的煤體松動寬度，一般為400 mm l3為煤體塑性區(qū)寬度，按下式計算，即,式中： 應力集中系數(shù)，其值為3 f1摩擦系數(shù)，其值為0.057 rh地應力，其值為rh =0.027*936.7=25.3 MPa k1 應力集中系數(shù)，其值為k1=3.5 c煤體的粘聚力，其值為c=1.5MPa 煤體的內摩擦角，其值為=30 M巷幫高度,求得軌道巷上幫煤體塑性區(qū)寬度：,求得軌道巷上幫煤體塑性區(qū)寬度：,軌道巷上幫錨桿總長度：,軌道巷上幫錨桿總長度：,(2)軌道巷頂板錨桿長度： 由于巖體中存在著各種縱橫交錯的節(jié)理、裂隙和結構面，這些節(jié)構面將巖體切割成大

8、小不等和形狀各異的塊體，從而破壞了巖體的整體連續(xù)性，當頂板巖體一旦跨落時，將形成一個自然冒落拱，所以頂板錨桿的作用就是對冒落拱內的巖石塊體進行加固和支撐。因此，頂板錨桿的有效長度按冒落拱理論進行計算將較為合理。,頂板錨桿的總長度為：,頂板錨桿的總長度為：,式中： l1錨桿外露長度，一般取100 mm l2為爆破作業(yè)造成的煤體松動厚度，一般為400 mm l3為錨桿錨固在完整巖體上的長度，一般為500 mm l4為頂板錨桿的有效長度，可推出其計算公式，即,式中： a為冒落拱一半跨度，其值為3124mm fk為頂板巖體的硬度系數(shù)，其下限值為4 由此計算錨桿的有效長度為：,軌道巷頂板錨桿的總長度為：

9、,(3)軌道巷底板錨桿長度： 底板巖層從上往下依此為偽底（炭質頁巖）、直接底（泥質粉砂巖）和老底（粉砂巖、細砂巖互層），其厚度分別為0.07m、1.0m、27.0m。為增加直接底的穩(wěn)定性，應對直接底進行加固，其錨桿長度應大于直接底的厚度，以確保直接底和老底錨固在一起，則錨桿總長度與頂板錨桿總長度取相同數(shù)值，即L=1781mm。 根據(jù)以上分析計算，軌道巷錨桿長度還應考慮到加工和現(xiàn)場管理的方便，所以將錨桿長度分成兩種：一種是軌道巷上幫錨桿長度為2600 mm，一種是軌道巷頂板、底板及下幫錨桿長度為1800 mm。,4.3錨索長度計算 從力學角度分析，錨索和錨桿的功能是相同的，都是對圍巖起加固和支撐

10、作用，但兩者的作用范圍卻存在著很大的差別。錨桿的作用范圍主要是將靠近巷道周邊的被節(jié)理裂隙切割的大小不等的巖塊進行懸吊和加固，而錨索的作用是靠自身強大的承載能力，將頂板壓力和頂板一定范圍的巖層自重傳遞到遠離巷道頂板的上覆堅硬巖層上，由上覆堅硬巖層再將荷載向遠場傳遞，從而將大大減輕巷道兩幫一定范圍的支承壓力及響應的底板壓力，這對于防止兩幫變形和底臌會起到重要作用。,根據(jù)上述原理，為充分發(fā)揮錨索的作用，錨索（鋼絞線）應具備一定的長度，其計算公式為：,式中： h巷道的平均高度 kr巖體的碎脹系數(shù)，取1.2 由上式可求得錨索的計算長度為：,考慮到錨索的外露部分，最后確定錨索的總長度為12m。,4.4錨桿

11、、錨索及其它配套支護材料 (1)錨桿及配套的支護材料 錨桿：材料采用螺紋鋼。規(guī)格頂板錨桿181800mm，間排距為800mm800mm。上幫錨桿182600mm，間排距為800mm800mm。下幫錨桿181800mm，間排距為700mm800mm。底板錨桿182600mm，間排距為1250mm800mm。,鋼帶：頂板采用BHW32803700型鋼帶，上幫采用BHW32803000型鋼帶，下幫采用BHW32801760型鋼帶。 金屬網：采用10#鐵絲編制的金屬菱形網，規(guī)格：頂網4100mm1000mm，上幫網3000mm1000mm，頂網1760mm1000mm，頂網與幫網之間應搭接200 mm

12、，并隔扣相連。 錨桿托盤：采用鑄鐵材料制作，規(guī)格為220mm100mm。 樹脂錨固劑：每根錨桿配兩塊K2350快速樹脂錨固劑，凝固時間1.5min-2.0min。,(2)錨索及配套的支護材料 錨索：采用低松弛的直徑為15.24mm的鋼絞線錨索，截面積為140mm2，總長度為12m，破斷力260.7kN（26.1t），每隔兩排錨桿打一排錨索，錨索間距為2700mm，排距為2400mm。 槽鋼：材料為9#槽鋼，長度為1700 mm。 墊板：材料為鋼板，規(guī)格100mm100mm8mm。 樹脂錨固劑：每根錨桿配四塊K2350快速樹脂錨固劑，凝固時間1.5min-2.0min。,4.5頂板錨索布置對防止

13、圍巖變形的力學機理 頂板安設錨索的意義已在上段作了簡單的敘述，但錨索在頂板上的布置位置不同，對巷道兩幫和底板變形具有較大的影響。傳統(tǒng)的布置方式是將錨索沿巷道頂板中線布置，這對于防止兩幫和底板變形是不明顯的。從力學機理分析，頂板中安設錨索，錨索將頂板壓力及一定范圍內的巖層重量傳遞給遠離頂板的堅硬巖層中，再右堅硬巖層將重量向遠場的巖層中傳遞。另外，頂板中安設錨索相當于對頂板增加了一個支撐點，支撐點越靠近巷幫，將降低頂板巖層對巷幫巖體的支承壓力。巷幫煤體支承壓力降低了，相應的由煤體傳遞給底板巖層的壓力也相應降低，這對于防止兩幫變形和底臌具有積極的作用。,傳統(tǒng)防止兩幫變形和底臌的方法是：兩幫變形治幫，

14、底臌變形治底，結果是花費了大量的人力和物力也未能取得較好的效果，其原因是造成巷道兩幫變形和底臌的原因沒有分析清楚。所以，在本項目研究中，將正確地運用力學原理，科學地布置錨索位置。,根據(jù)錨索支撐點的作用，軌道巷每個斷面布置兩套錨索，其位置是越靠近巷幫越好。為便于施工，每套錨索距巷幫300mm。兩套錨索相當與兩個支撐點，若把巷道頂板簡化為梁來分析，在沒有錨索這兩個支撐點時，梁的自重和所承受的支承壓力將傳遞給巷道兩幫煤體來承擔，這無形之中就增加了巷幫煤體的支承壓力。若巷道頂板安設了錨索這兩個支撐點，巷道頂板巖層的自重和所承擔的壓力將由兩個支撐點的錨索來承擔。顯然，作用在巷道兩幫煤體上的支承壓力將見效，同時兩幫煤體傳遞給底板巖層的壓力也同樣減少。所以，將錨索沿頂板的布置向兩幫靠近可降低兩幫煤體和底板巖層的支承壓力，這對于兩幫變形和底臌會起到一定的防治作用。 上述對軌道巷錨索的支護方式和布置方式進行了分析，從力學機理上來說是正確的，其效果也得到了工程實踐的檢驗。,4.6錨桿、錨索施工工藝及其它要求 施工工藝對支護質量起著重要作用，若施工工藝沒有保證，再好的支護方案，也可能取得預期效果。所以，為配合試驗巷道支護方案的實施，應嚴格按照作業(yè)規(guī)程和下列要求組織施工。 (1)錨孔應采用專用設備進行鉆眼，眼孔要直，避免安裝藥卷時未達到錨固端而發(fā)生破裂，從而降低錨桿及