复合型支护技术在新义矿业煤巷中的应用研究

复合型支护技术在新义矿业煤巷中的应用研究 王志毅 李壮 康乐 河南能源义煤公司新义矿业 摘 要： 新义煤矿 11011 首采工作面巷道围岩节理发育、伪顶较厚、顶板破碎、掘进初期采用工字钢棚支护, 巷道支架变形严重, 多处出现翻梁、弯梁、漏顶等安全隐患, 而后采用锚杆与锚索梁复合支护, 取得了明显的效果。关键词： 锚索; 复合型支护; 顶板离层; 工作面; 作者简介：王志毅 (1989) , 男, 河南新安人, 新义矿业生产技术部, 助理工程师。1 工程概况义煤集团新义矿业设计生产能力 1.2Mt/a, 服务年限 63.7 年。11011 综采工作面是新义煤业公司首采工作面, 地面标高 390-413m, 工作面标高-238.43-304.58m, 埋深达 700m, 矿井受地应力威胁严重。该工作面采用倾斜长壁布置, 工作面设计长 120m, 轨道巷设计长度 780m, 胶带巷设计长度 710m, 两巷均布置在砂质泥岩底板、二 1煤层顶板中, 毛断面 12.8m。巷道掘进初期采用工字钢对棚支护, 棚距 500mm, 加打工字钢点杆加强支护。在两巷掘至 60m 位置前后时, 后部巷道支架变形严重, 多处出现翻梁、弯梁、漏顶等安全隐患, 经多次修护效果仍不明显, 给巷道安全掘进带来了严重影响。因此, 选择适合新义矿区特殊地质条件的支护形式具有重要意义。2 围岩地质力学参数(1) 伪顶岩石强度相对较低。集中表现在围岩松散、软弱、胶结程度差, 岩体破碎, 岩块单轴抗压强度低于 15-25MPa。(2) 围岩应力相对较高。巷道埋深达 700m 围岩承受的自重应力大, 围岩松动圈 (伪顶) 超过 1.5m, 原本稳定性较好的围岩在埋深增加以后也显示软岩特征;轨道、胶带两条巷道测得的最大主应力分别达到 32MPa、43MPa;在巷道维护中, 为了充分保持并利用破裂围岩的自撑能力, 必须对破裂区岩体进行支护和加固, 目的是限制有害的滑移碎胀变形, 控制其软化程度, 从这个意义上讲, 布置在岩体内部的锚索、锚杆支护能实现主动深入到围岩内部加固围岩, 提高围岩自身支撑能力并和围岩一起形成一个加固圈, 缓解应力集中现象。综上所述, 并结合探测、试验分析, 决定试验以锚索为主的复合型支护。3 锚索支护机理及参数确定锚索支护技术主要是将一定长度的低松弛高强度的钢绞线配以专用锚具, 用树脂或砂浆进行锚固, 通过液压千斤顶在其尾部施加预应力, 达到对巷道锚固支护的一项技术。锚索除具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、楔固作用外, 与普通锚杆不同的是对顶板进行深部锚固而产生强力悬吊作用, 并且沿巷道纵轴线形成连续支撑点, 以大预紧力减缓顶板变形扩张。锚索支护设计的原则主要有以下几点: (1) 锚索长度原则。锚索长度取决于巷道顶板岩性、岩体结构和巷道工程尺寸。 (2) 锚索强度原则。锚索承载强度取决于锚索根数和锚索间排距, 其设计总荷载按巷道顶板塑性软化区的范围的岩石质量乘以安全系数来计算。 (3) 耦合设计原则。锚索和锚杆支护达不到耦合作用状态, 将会出现恶性事故。因此, 重视各种时空条件下的预应力数值变化至关重要。在迎头工作面进行锚索支护, 预应力值应适当小一些, 约是锚杆设计值的 0.8-1.0 倍;在掘进机后进行锚索支护时, 预应力水平应是锚杆设计荷载值的 1.0-1.3 倍。 (4) 关键部位原则。理论研究表明, 锚索设计在顶板的力学关键部位效果最好, 因此, 锚索要尽力设计在顶板关键部位上。根据锚索支护设计原则, 锚索支护应在关键部位出现时的最佳支护时间对关键部位进行加强支护。巷道支护设计锚索长 13.8m, 直径 15.24mm, 间排距2m×2m。锚索一端能穿破碎岩并固定在受力情况稳定的大占砂岩中, 与岩体粘结在一起, 提高岩体的整体刚度, 对不稳定岩层起悬吊作用, 由原以架棚为主要支护手段的被动支护, 转变成主动支护。4 复合型支护的应用及效果11011 工作面巷道围岩节理发育, 顶板破碎及伪顶较厚, 地质条件复杂, 支护困难, 为增加围岩的稳定性, 满足巷道支护强度, 采用锚杆与锚索梁复合型支护。4.1 锚杆支护通过锚杆对松动圈内的围岩进行组合梁加固和锚索的补强支护, 将其锚固到顶板深部。由于锚索支护给巷道顶板的高预紧力和高承载能力, 使顶板由锚杆支护形成的组合梁得到进一步加强并将其牢固地悬吊在上部基本顶内, 改善巷道受力条件, 使顶板得到有效控制, 片帮问题也得到了较好的解决。锚杆支护参数:锚杆长 2.2m, 直径 18mm, 间排距 800mm×800mm。4.2 锚索梁支护由于巷道顶板为砂质泥岩, 用锚索支护时容易发生矸石冒落, 影响支护效果, 同时为保证锚索能承受最大的抗拉、抗剪力, 必须加强锚索的整体性。以下为锚索梁设计支护参数, 经多次试验选择 4m 长的工字钢作为锚索的托梁, 1 根锚索梁设计安装 3 根锚索, 按每根锚索锚固力 150k N 计算, 1 根锚索梁所承受的力为 450k N, 完全能适应完全能适应目前巷道的支护强度。锚索梁排间距2m×2m。4.3 应用效果分析日常对巷道顶底板和两帮移近量观测结果如表 1, 数据对比分析可知, 锚杆、锚索梁复合支护效果显著。表 1 支护效果对比 下载原表 5 结语在实际施工过程中不需要加长锚索寻找坚硬顶板岩层, 只需充分注意锚固段的结构设计和施工质量, 重点考虑深部围岩强度和巷道浅部支护体之间的相互耦合作用, 将锚索打设在设计的关键部位完全能够满足生产需要。实践证明:向前掘进采用锚索复合支护的 100m 巷道, 较架棚支护的巷道变形轻微, 明显减少巷道维修量, 简化了工作面的超前支护工作, 提高了巷道的掘进速度, 减小了工人的劳动强度, 降低了支护成本及辅助运输量, 有利于组织生产, 从根本上杜绝了安全隐患, 为保证煤巷的快速掘进。