復合頂板大跨度切眼錨網(索)支護技術研究應用

王海寧楊云龍奚家米陳新年田俊蜂

(1.澄合礦業有限公司二礦公司,陜西省渭南市,715208;2.西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西省西安市,710054)

復合頂板大跨度切眼錨網(索)支護技術研究應用

王海寧1楊云龍1奚家米2陳新年2田俊蜂2

(1.澄合礦業有限公司二礦公司,陜西省渭南市,715208;2.西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西省西安市,710054)

以澄合二礦24506大跨度切眼斷面錨桿(索)支護項目為工程背景,運用理論計算、數值分析和現場監測相結合的手段,對復合頂板大跨度切眼支護技術進行了研究和現場實踐,得出復合頂板大跨度切眼支護較為合理的支護參數。

復合頂板 大跨度開切眼 錨網索支護 支護參數

隨著煤礦開采深度的增加,巷道地質條件更為復雜,出現復合頂板的煤礦巷道更為常見。在這種地質條件較差的復合頂板巷道中采用大跨度切眼開采,給巷道的支護帶來了更大的難度。為此需要現場的設計和施工人員根據不同的地質情況提出合適的支護參數,才能保證煤礦安全、高效生產。

1 復合頂板大跨度切眼支護參數設計研究

復合頂板巷道圍巖為差異性很大的非均質層狀賦存,在圍巖應力作用下表現為頂板極易離層、冒落,難以形成自承載結構,頂板、兩幫變形相互作用,形成惡性循環。在這種地質條件采用大跨度切眼開采,傳統的被動支護不能滿足巷道的穩定要求。因此針對復合頂板大跨度切眼,設計合理的錨網索支護參數,才能有效保證巷道的穩定性、安全性。

根據復合頂板的破壞特征和地質特點,大跨度切眼巷道支護設計采用工程類比、理論計算、圍巖松動圈的測定、數值模擬和現場監測的手段進行設計研究。根據初始設計和現場實踐的信息反饋不斷調整設計參數,以獲取最優化的設計方案。

1.1 設計方法

(1)工程類比法。根據要設計巷道的地質條件,通過類比相似地質條件的巷道支護設計,得出初步的支護方案。

(2)頂板懸吊理論計算。根據頂板復合層的厚度來確定頂板冒落拱的高度,采用理論公式進行設計計算。

(3)數值分析驗證設計法。采用FLAC軟件對初始設計后的巷道進行穩定性分析,通過不斷的分析,調整設計支護參數,從而得到較為合理的支護參數。

本文先采用工程類比和懸吊理論計算法對24506工作面切眼進行支護設計計算,然后根據現場工程實踐和數值分析對設計參數進行分析。

1.2 參數設計

參數設計包括錨桿、錨索的長度及間排距,支護材料選擇,支護效果監測,參數修改,完善錨桿支護設計。然后根據礦壓信息,不斷修正設計,以達到參數的最優化。同時對支護后的巷道頂板進行變形監測,預測頂板危險區域,采取措施,消除安全隱患。

2 工程實例

2.1 24506切眼概述及巖層特性

24506工作面位于澄合二礦二水平四采區中部,四周均為實區,東距礦界144 m,西與四采區各大巷、軌道上山、帶式輸送機上山相通。工作面走向長度為633 m,傾向長度為149 m。24506工作面煤層頂底板巖性及強度特性見表1。

表1 24506煤層頂底板巖性及強度特性

2.2 24506大跨度切眼巷道初步設計

圖1 切眼支護方案

根據24506大跨度切眼巷道的巖層物理力學參數和實際的地質情況,應用理論計算及分析,采用工程類比法和理論計算相結合的方法,支護參數設計如下,具體的支護形式見圖1。

開切眼沿頂板掘進,切眼長度為102 m,全部為錨網索梁支護形式,巷道斷面形狀為矩形,尺寸6.6 m ×3.2 m(寬 ×高)。

頂部支護時每個斷面使用10根DQM 20mm×2200mm等強高效錨桿,錨桿間排距800mm×800mm,掛菱形鐵絲網,沿巷道方向頂部每2.4 m打一排錨索,錨索規格?17.8mm×6000mm,間距1.6m,每排4根。

幫部支護使用DQM 20mm×2000mm等強高效錨桿,間排距800mm×800mm,掛鐵絲網,東西幫部每排各4根。切眼中部采用3.3 m工字鋼點柱進行補強支護,頂部用800mmπ梁接頂,點柱間距為800mm,掘擴切眼時,必須超前10 m進行點柱支護。

2.3 FLAC數值模擬分析

根據24506切眼地層及水文地質綜合柱狀圖,用FLAC計算軟件分別建立巷道模型。

因巷道的開挖僅對距巷道中心點3～5倍開挖半徑范圍內的煤巖層影響較大,所以確定模型寬50 m,高30 m,圍巖及煤層變形破壞都采用莫爾-庫侖屈服準則。模型范圍內圍巖共4層,主要為粉砂巖、沙質泥巖、泥巖和煤,模型按實際圍巖分布建立,圍巖物理力學參數見表2。

計算地面以下400 m處的初始應力值,將此值加到模型上。施加位移邊界條件,模型上邊界X方向位移固定約束,Y方向自由;下邊界X方向固定,Y方向自由。

表2 圍巖物理力學參數

數值模擬結果見圖2和圖3,錨桿(索)支護后巷道頂板最終沉降量為42mm,底臌量較小;水平方向的兩幫移近量為35mm,巷道的豎向變形量和水平變形量均在可控和安全的范圍內。通過數值模擬結果分析,可以初步確定錨桿(索)支護參數選取的合理性。

2.4 24506巷道現場監測及穩定性評價

對工作面試驗段,每30～50 m設置綜合礦壓監測站1個,觀測頂板的變形量。在24506切眼巷道圍巖深部共進行4個測站的全過程監測,每40 m布置一個觀測站,采用九點頂板離層位移計進行頂板離層監測,觀測巷道長度155 m,數據分析見圖4、圖5、圖6和圖7。

經過對24506切眼巷道4個監測站長達4個月的實時監控得出,該支護形式下頂板的最大變形量為52mm,日最大沉降速率為18mm/d,平均沉降速率都不超過0.5mm/d,變形量都符合巷道支護變形設計要求,均在允許的范圍之內,通過這種實時監測可以看出,24506煤層巷道切眼巷錨桿支護參數優化方案是安全可行的,針對這種大跨度切眼模擬設計,可以根據實際的情況對支護參數進行進一步優化。

圖7 4號點頂板沉降量

3 支護參數優化

通過數值模擬計算和現場試驗巷道的監測,對復合頂板大跨度切眼錨網索支護進行進一步優化設計,設計方案如圖8所示。

圖8 優化后切眼支護方案

(1)東西兩部分錨桿索布置方式調整。將原來的錨桿索單線型布置改成東西兩部分交叉布置,這樣有利于頂部復合頂板形成一個整體組合,受力更加均勻。

(2)調整頂錨桿。根據數值模擬和實測頂板位移,頂板變形量和兩幫位移量較小,穩定性較好時,可將頂部錨桿減少1根。

(3)調整錨索。初期為了使煤層巷道安全有保證,錨索設計為矩形布置,根據數值模擬和實測頂板位移及實際檢測結果,頂板下沉不大時,錨索間排距可適當優化,數量減少1根。

(4)錨索托板采用長1.0 m,孔徑?19mm的工字鋼。施工時工字鋼壓住兩邊的“M”型鋼帶,見圖8(a)。

4 結論

復合頂板大跨度切眼采用錨網索支護,能有效地控制圍巖的變形。復合頂板大跨度切眼支護的成功實施,保證了綜掘機一次性轉彎成功,可使綜采支架整架運輸、采煤機各部件整體運輸,并一次性安裝到位,為增大采高,提高煤炭回收率創造了有利條件。

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(責任編輯 張毅玲)

Applications and studies of anchor(cables)supporting technology in large span cut of composite roof

Wang Haining1,Yang Yunlong1,Xi Jiami2,Chen Xinnian2,Tian Junfeng2
(1.The Second Mine Company of Chenghe Mining Co.,Ltd.,Weinan,Shaanxi 715208,China;2.College of Architecture and Civil Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxi 710054,China)

With the engineering background of Chenghe second coalmine 24506 long-span cut cross-section bolt support project,by combining of the theoretical calculation,the numerical analysis and the practical monitoring,the supporting technical research and analysis of site support monitoring in large span cut of composite roof are carried out,reasonable supporting parameters in large span cut of composite roof are obtained,experiences and references are provided for the future design of similar roadway.

composite roof,large span cut,anchor(cables)supporting,support parameters

TD355

B

王海寧(1965-),男,高級工程師,澄合礦業二礦公司總工程師。主要從事煤礦開采技術研究和管理工作。