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摘要:本文介绍了“锚网索+U型棚”联合支护机理以及锚网索支护的基本准则和方法等,对锚网索+U型棚”联合支护方案进行了研究,为以后类似的工程实践提供了借鉴。
关键词:“锚网索+U型棚”联合支护;分级分区域;机理
1、“锚网索+U型棚”联合支护机理
当遇到围岩岩性条件差,单纯采用U型棚支护和锚杆支护将不能有效控制巷道变形,对于深井巷道应采取联合支护方式,即锚网索+U型棚支护。
高应力软岩巷道变形是非线性的,巷道掘进后,其深部围岩的变形移动可分为3个阶段:变形剧烈阶段;变形平缓阶段;相对稳定阶段。基于以上的变形特征,一次支护方式采用锚网索支护,通过合理支护参数设计,可以实现:①强度耦合,即在不破坏围岩承载强度的基础上,充分释放围岩变形能;②刚度耦合,即通过锚杆对围岩施加高预紧力,避免不连续变形产生,提高锚固体围岩刚度,一方面锚杆具有一定的延伸性,允许巷道围岩具有足够的变形,避免巷道围岩由于变形引起的能量积聚;另一方面,锚杆支护可将围岩控制在其允许变形范围之内,避免因过度变形而破坏围岩本身的承载能力,实现变形协调及荷载均匀化。③对于围岩结构面产生的不连续变形,通过锚索对该部位进行加强耦合支护,限制其不连续变形,防止个别部位的破坏引起整个支护体的失稳,达到成功支护目的。
尽管锚网索支护可提高围岩强度,但在深井高地应力区复杂困难条件下,无法限制围岩整体位移,为避免过大位移,应在一次支护充分让压并提高围岩承载能力的基础上,二次支护采用U型可缩性支架,由于锚杆支护作用,而使围岩变形均匀,这样使荷载均匀的作用在U型钢支架上,利用支架的抗压作用,限制围岩过大整体位移,这样锚固体与支架共同作用维持巷道稳定。
2、锚网索支护的基本准则和方法
锚网索支护参数设计与前面采用的基本相同。但在支护参数设计中基于围岩条件差,应在支护参数选择中,注意以下几点:
1) 采用高强度锚杆
采用左旋螺纹钢为材料的φ18~22 mm 的高强、超高强锚杆。对锚杆尾端螺纹部分热处理的高强锚杆,极限载荷137~216 kN;对整根锚杆强化热处理的超高强锚杆,极限载荷206~307 kN。锚杆延伸率均在17 %以上。
2) 施加高预紧力
使用大扭矩预紧扳手或扭矩倍增器,安装时施加预紧力不小于60kN,这样能有效提高锚固围岩的刚度。
3)全长锚固方式
由于锚杆支护系统刚度增大,顶板变形量显著减小,同等条件下全长锚固时围岩变形量仅为端头锚固时的1/10~1/2 。同时全长锚固锚杆受力后中部轴力最大,两端最小,因而有利于保持顶板的完整性。
4) 加钢带和金属网或塑料网
加钢带和金属网或塑料网,能有效实现锚杆施加预应力的有效扩散,使锚杆形成整体,保持顶板的完整,防止局部围岩冒落。
5)锚索补强支护
研究表明巷道两侧拱顶为应力集中区,所以该部位为支护关键部位,利用锚索对该部位进行补强支护,这样可以充分调动深部围岩。
3、联合支护参数
以某工作面轨道顺槽为支护设计依据,巷道断面为半圆拱形,如图1所示,某风巷设计支护参数如下图所示:锚杆规格螺纹钢等强预拉力锚杆,规格为M24—φ22×2400mm,拱顶锚杆间排距为1500×1000mm,顶板锚杆安装时预紧力不小于6t,顶板铺设8#钢丝编制的金属菱形网,金属网宽:1000mm,长: 6400mm;两帮采用π2型钢带,钢带长1600mm,每根钢带2根锚杆,锚杆间、排距1500×1000 mm,锚杆规格φ22×2200 mm,两帮铺设防静电PVC塑料网,塑料网宽为1000mm,长度视具体情况而定;所有锚杆均为无纵筋左旋螺纹高性能等强预应力锚杆,每根锚杆配1支K2360和1支Z2380;锚索补强支护,每排两根锚索,分别距巷中1400mm位置处,排距2000mm,锚索规格:φ18×6500 mm,每根锚索1支K2360和3支Z2380树脂药卷。
在滞后锚网索支护一段距离后,架U形棚支护。支护采用29#U型棚支护,棚距为500mm。采用两节棚梁,搭接长度为400mm,卡缆间距为200mm,螺母拧紧力矩为350mm,U型棚采用12#铁丝编织的3000×750mm金属网和800mm长塘柴棍进行腰帮背顶,金属网搭接100mm,采用16#铁丝按200mm间距进行联网,塘柴棍按200mm间距进行布置,用16#扎丝系在金属网上,金属网后用矸石充填,严禁空帮空顶。
4、分级分区域超前加强支护方案
根据矿压观测研究,表明该工作面超前支承压力分布规律为:
(1)超前支承压力的峰值在工作面前方8~9m区域,显著影响范围在22m~52m范围内,采动影响范围在62m~76m。
(2)最大应力集中系数从1.59~3.5,应力集中系数较大。
为有效控制巷道稳定,基于超前支承压力分区特征,即分为超前支承压力剧烈影响区、超前支承压力显著影响区和采动影响区,建议根据支承压力影响程度不同,采用分级分区支护措施:
(1)为适应超前支承压力大及超前压力分布范围广的特点,根据数值模拟和理论分析,确定超前支护距离和强度,在采动影响区,62m~76m采用加单体点柱加强支护,采用单排点柱加强支护,支柱用DZ35/100型单体液压支柱在原“U”型棚棚梁中间打点柱,一棚一柱。
(2)在支承压力显著影响区(0~52m)采用一排两柱加强支护,其中20~52m进行套棚管理,首先在原“U”型棚档内进行套棚,梁用直径180mm,长2800mm的圆木,柱用DW35/100型单体支柱,一梁两柱,柱距梁端400mm。
(3)在支承压力剧烈影响区0~20m进行抹帽管理,采用DZ35/100外注式单体液压支柱配合HDJA-1000金属限位梁四梁四柱走向架设,中定位。
5、结语
(1)深井开采时,工作面顶板在高应力作用下变得较为破碎,这将导致采场出现漏垮冒顶事故,因此在实际生产中,深井工作面应进行合理的支架选架,选择端面距不太大且又能及时支护的支架,同时支架工在生产中要及时拉架护顶,并保证支架有中够的初撑力。
(2)对于深井巷道支护在围岩条件允许时,建议优先选择锚带网支护,从被动支护向主动支护转变,当遇到围岩岩性条件差,深井巷道应采取联合支护方式,即锚网索+U型棚支护。
(3)为有效控制巷道稳定,基于超前支承压力分区特征即支承压力剧烈影响区、支承压力影响区和采动影响区,根据支承压力影响程度不同,提出分级分区域超前加强支护措施,对于采动影响区采用一般支护,对于超前支承压力影响区采用加强支护,对于显著影响区采用超加强支护。
参考文献:
[1]司荣军,汪华君,岳强. 采场围岩控制理论与实践综述及展望[M]. 矿业工程,2006,8
[2]蒋金泉. 采场围岩应力与运动[M]. 煤炭工业出版社,1993.12
[3]翟新献,李化敏. 巷道围岩变形量与开采深度的关系[J]. 焦作矿业学院学报,1995,14(6);51-55
[4]李德忠,夏新川,涂敏等. 深部矿井开采技术[M]. 中国礦业大学出版社,2005.10
[5]曲华,张殿振. 深井难采煤层上行开采的数值模拟[J]. 矿山压力与顶板管理,2003,22(5);471~476
作者简介:杨和平,1981年07月出生,助理工程师,山西省翼城县人, 2010年01月毕业于太原理工大学,现任职于五星煤业生产科科长。
关键词:“锚网索+U型棚”联合支护;分级分区域;机理
1、“锚网索+U型棚”联合支护机理
当遇到围岩岩性条件差,单纯采用U型棚支护和锚杆支护将不能有效控制巷道变形,对于深井巷道应采取联合支护方式,即锚网索+U型棚支护。
高应力软岩巷道变形是非线性的,巷道掘进后,其深部围岩的变形移动可分为3个阶段:变形剧烈阶段;变形平缓阶段;相对稳定阶段。基于以上的变形特征,一次支护方式采用锚网索支护,通过合理支护参数设计,可以实现:①强度耦合,即在不破坏围岩承载强度的基础上,充分释放围岩变形能;②刚度耦合,即通过锚杆对围岩施加高预紧力,避免不连续变形产生,提高锚固体围岩刚度,一方面锚杆具有一定的延伸性,允许巷道围岩具有足够的变形,避免巷道围岩由于变形引起的能量积聚;另一方面,锚杆支护可将围岩控制在其允许变形范围之内,避免因过度变形而破坏围岩本身的承载能力,实现变形协调及荷载均匀化。③对于围岩结构面产生的不连续变形,通过锚索对该部位进行加强耦合支护,限制其不连续变形,防止个别部位的破坏引起整个支护体的失稳,达到成功支护目的。
尽管锚网索支护可提高围岩强度,但在深井高地应力区复杂困难条件下,无法限制围岩整体位移,为避免过大位移,应在一次支护充分让压并提高围岩承载能力的基础上,二次支护采用U型可缩性支架,由于锚杆支护作用,而使围岩变形均匀,这样使荷载均匀的作用在U型钢支架上,利用支架的抗压作用,限制围岩过大整体位移,这样锚固体与支架共同作用维持巷道稳定。
2、锚网索支护的基本准则和方法
锚网索支护参数设计与前面采用的基本相同。但在支护参数设计中基于围岩条件差,应在支护参数选择中,注意以下几点:
1) 采用高强度锚杆
采用左旋螺纹钢为材料的φ18~22 mm 的高强、超高强锚杆。对锚杆尾端螺纹部分热处理的高强锚杆,极限载荷137~216 kN;对整根锚杆强化热处理的超高强锚杆,极限载荷206~307 kN。锚杆延伸率均在17 %以上。
2) 施加高预紧力
使用大扭矩预紧扳手或扭矩倍增器,安装时施加预紧力不小于60kN,这样能有效提高锚固围岩的刚度。
3)全长锚固方式
由于锚杆支护系统刚度增大,顶板变形量显著减小,同等条件下全长锚固时围岩变形量仅为端头锚固时的1/10~1/2 。同时全长锚固锚杆受力后中部轴力最大,两端最小,因而有利于保持顶板的完整性。
4) 加钢带和金属网或塑料网
加钢带和金属网或塑料网,能有效实现锚杆施加预应力的有效扩散,使锚杆形成整体,保持顶板的完整,防止局部围岩冒落。
5)锚索补强支护
研究表明巷道两侧拱顶为应力集中区,所以该部位为支护关键部位,利用锚索对该部位进行补强支护,这样可以充分调动深部围岩。
3、联合支护参数
以某工作面轨道顺槽为支护设计依据,巷道断面为半圆拱形,如图1所示,某风巷设计支护参数如下图所示:锚杆规格螺纹钢等强预拉力锚杆,规格为M24—φ22×2400mm,拱顶锚杆间排距为1500×1000mm,顶板锚杆安装时预紧力不小于6t,顶板铺设8#钢丝编制的金属菱形网,金属网宽:1000mm,长: 6400mm;两帮采用π2型钢带,钢带长1600mm,每根钢带2根锚杆,锚杆间、排距1500×1000 mm,锚杆规格φ22×2200 mm,两帮铺设防静电PVC塑料网,塑料网宽为1000mm,长度视具体情况而定;所有锚杆均为无纵筋左旋螺纹高性能等强预应力锚杆,每根锚杆配1支K2360和1支Z2380;锚索补强支护,每排两根锚索,分别距巷中1400mm位置处,排距2000mm,锚索规格:φ18×6500 mm,每根锚索1支K2360和3支Z2380树脂药卷。
在滞后锚网索支护一段距离后,架U形棚支护。支护采用29#U型棚支护,棚距为500mm。采用两节棚梁,搭接长度为400mm,卡缆间距为200mm,螺母拧紧力矩为350mm,U型棚采用12#铁丝编织的3000×750mm金属网和800mm长塘柴棍进行腰帮背顶,金属网搭接100mm,采用16#铁丝按200mm间距进行联网,塘柴棍按200mm间距进行布置,用16#扎丝系在金属网上,金属网后用矸石充填,严禁空帮空顶。
4、分级分区域超前加强支护方案
根据矿压观测研究,表明该工作面超前支承压力分布规律为:
(1)超前支承压力的峰值在工作面前方8~9m区域,显著影响范围在22m~52m范围内,采动影响范围在62m~76m。
(2)最大应力集中系数从1.59~3.5,应力集中系数较大。
为有效控制巷道稳定,基于超前支承压力分区特征,即分为超前支承压力剧烈影响区、超前支承压力显著影响区和采动影响区,建议根据支承压力影响程度不同,采用分级分区支护措施:
(1)为适应超前支承压力大及超前压力分布范围广的特点,根据数值模拟和理论分析,确定超前支护距离和强度,在采动影响区,62m~76m采用加单体点柱加强支护,采用单排点柱加强支护,支柱用DZ35/100型单体液压支柱在原“U”型棚棚梁中间打点柱,一棚一柱。
(2)在支承压力显著影响区(0~52m)采用一排两柱加强支护,其中20~52m进行套棚管理,首先在原“U”型棚档内进行套棚,梁用直径180mm,长2800mm的圆木,柱用DW35/100型单体支柱,一梁两柱,柱距梁端400mm。
(3)在支承压力剧烈影响区0~20m进行抹帽管理,采用DZ35/100外注式单体液压支柱配合HDJA-1000金属限位梁四梁四柱走向架设,中定位。
5、结语
(1)深井开采时,工作面顶板在高应力作用下变得较为破碎,这将导致采场出现漏垮冒顶事故,因此在实际生产中,深井工作面应进行合理的支架选架,选择端面距不太大且又能及时支护的支架,同时支架工在生产中要及时拉架护顶,并保证支架有中够的初撑力。
(2)对于深井巷道支护在围岩条件允许时,建议优先选择锚带网支护,从被动支护向主动支护转变,当遇到围岩岩性条件差,深井巷道应采取联合支护方式,即锚网索+U型棚支护。
(3)为有效控制巷道稳定,基于超前支承压力分区特征即支承压力剧烈影响区、支承压力影响区和采动影响区,根据支承压力影响程度不同,提出分级分区域超前加强支护措施,对于采动影响区采用一般支护,对于超前支承压力影响区采用加强支护,对于显著影响区采用超加强支护。
参考文献:
[1]司荣军,汪华君,岳强. 采场围岩控制理论与实践综述及展望[M]. 矿业工程,2006,8
[2]蒋金泉. 采场围岩应力与运动[M]. 煤炭工业出版社,1993.12
[3]翟新献,李化敏. 巷道围岩变形量与开采深度的关系[J]. 焦作矿业学院学报,1995,14(6);51-55
[4]李德忠,夏新川,涂敏等. 深部矿井开采技术[M]. 中国礦业大学出版社,2005.10
[5]曲华,张殿振. 深井难采煤层上行开采的数值模拟[J]. 矿山压力与顶板管理,2003,22(5);471~476
作者简介:杨和平,1981年07月出生,助理工程师,山西省翼城县人, 2010年01月毕业于太原理工大学,现任职于五星煤业生产科科长。