大埋深高应力巷道让压支护技术研究

作者简介:张建国(1965-),男,河南滑县人,中国矿业大学硕士研究生,教授级高级工程师,被生产监督管理总局授予第四届煤矿安全生产专家。

大埋深高应力巷道让压支护技术研究

张建国,黄庆显,石彦磊

(平煤集团公司四矿,河南平顶山　467000)

摘要:针对平煤四矿大埋深高地应力巷道支护现状及围岩特点,总结了深井高地应力巷道支护原则,提出采用高强可变形让压锚杆+鸟巢锚索+W 钢带支护技术控制深井巷道围岩的持续变形,并进行了支护试验。关键词:大埋深高地应力巷道;高强可变形让压锚杆;深部开采

中图分类号:T D353　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1003-0506(2008)01-0004-02

Study on Press 2anchor Supporti n g Technology i n D epth H i gh Stress Roadway

Z HANG J ian 2guo,HUANG Q ing 2xian,SH I Yan 2lei

(Fourth 2coal,Pingdingshan Coal Co 1L td,Pingdingshan 467000,China )

Abstract:A i m t o the actuality about high stress r oad way shoring and surr ounding r ock peculiarity in Fourth 2coalm ine ′s deepness 2shaft,su mmarize p rinci p le on high stress r oad way up deepness 2shaft .And author su m up rules that it is adop ting defor mable high 2strength p ress 2anchor,bird ′s nest anchor 2cable and W 2metal band supporting technol ogy,which can have an effect upon durative dist orti on in deepness 2shaft r oad way,finally p ractice in shoring at p r oject 1

Keywords:dep th high stress r oad way;defor mable high 2strength p ress 2anchor;deep 2seated m ine exp l oitati on

　　平煤四矿己三采区的己15223140运输巷巷道埋

深在860～990m 之间。由于巷道埋藏深,支护条件越来越复杂,巷道支护难度显著增加。在掘进过程中矿压较大,顶压、侧压、底鼓较为严重,锚杆、锚索破断问题时有发生,巷道变形至不能正常施工作业,不但增加成本,降低了经济效益,而且严重威胁着煤矿的安全生产。为此,在己15223140运输巷进行了高强可变形让压锚杆+鸟巢锚索+W 钢带支护技术试验,以期达到支护强度高、巷道变形小、安全可靠、经济快速的目的。

1　大埋深高应力巷道支护现状及存在问题

(1)巷道支护现状。尽管煤矿锚杆支护技术已

经得到了广泛的应用,但目前的锚杆、锚索种类单一,难以适应不同地质采矿条件的变化。在深部开采掘进过程中,要面临很多影响巷道支护的问题,如:随着采深的增加,压力增大多少、巷道变形范围如何及变形量大小、巷道周边的主应力方向如何、应

力随采深增大的梯度是多少,这些问题直接影响煤

矿的安全生产。也有的矿井仍沿用浅部的支护方法和管理经验,因而造成支护失效,常出现大量的折梁断腿、锚杆失效、反复维修、冒顶塌方,耗费了大量的人力物力,仍不能保证正常的安全生产。主要是对大埋深高应力的巷道支护,没有采取有针对性的支护方式和手段。因而难以提出合理有效的深部地压控制措施和配套的巷道支护方法。因此,深部开采首先解决的是巷道“安全、高效、经济、快速”的支护问题。

(2)安装载荷不足。很明显,安装载荷的不足引起顶板和两帮的早期变形。尽管锚杆支护密度很大,仍然存在严重的巷道变形。原设计顶锚杆采用 20mm 、L =2400mm 的左旋高强树脂锚杆,帮、底锚杆采用 20mm 、L =2300mm 全螺纹等强锚杆。顶锚杆(7根)间排距700mm ×700mm;帮锚杆间排距:上帮(3根)800mm ×700mm ,下帮(4根)750mm ×700mm 。锚索L =6500mm ,排距1400mm ,三花布置,每根锚索距巷道中心700mm 。施工2个月后顶板下沉量为365mm ,两帮位移量427mm ,底鼓量615mm ,顶板高强锚杆在大变形条件下无让压功能,造成局部地段有断锚杆现象。

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4・2008年第1期　　　　　　　　　　　　　　中州煤炭　　　　　　　　　　　　　　　总第151期

矿曾经尝试采用高强锚杆进行己

15223140运输巷锚

杆支护,但仍然出现断锚杆、巷道整体变形量大和大部分巷道复修套棚,巷道支护效果仍不理想。

2　大埋深高应力巷道的支护原则

211　采取预应力锚杆,提高支护结构共同承载载荷预应力锚杆在支护与围岩的相互关系上,具有明显的特点:①符合围岩与支护结构共同承载的基本支护思想;②及时主动支护;③属于柔性支护,选择合理的支护刚度,使支护完成后,仍能与岩体一起产生少量的位移,释放部分能量。既保持岩体受力平衡,又保持支护结构不失稳。新型预应力锚杆则是在此基础上采用了一种合理有效的让压,并在锚杆接近过载时像安全阀一样起到让压保护锚杆杆体作用的预应力锚杆。采用高强预应力锚杆可以加大锚杆的间排距,减少锚杆的用量,提高掘进速度,降低掘进成本,具有广阔的发展前景。

212　深部高地压大变形巷道支护理念

平煤四矿的己

15223140回采巷道属于高应力大

变形巷道。对于这种类型的巷道,锚杆支护系统设计必须考虑下列要素:①锚杆的安装应力;②支护强度;③锚杆变形让压性能。因此,对于高应力大变形巷道基本支护理念是:在一定的合理支护强度条件下,支护系统在安装时必须对顶板施加足够的安装应力。同时,锚杆本身必须有变形让压性能,以让掉不必要的地压载荷,起到既保证巷道支护效果又保证锚杆不被破坏的作用。

3　工程实践

按照支护原则,平煤四矿对己

15223140运输巷

进行了支护实践。

311　高强让压锚杆支护系统设计

对于煤系地层来说,由于煤系地层是层状沉积岩层,组合梁理论是最适合的。然而,工程实践中锚杆的支护机理往往是几种支护机理的共同作用。

煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合梁,为了使组合梁达到最佳强度,应设计合适的锚杆长度及锚杆系统的安装应力。达到最佳组合梁的锚杆系统设计应满足条件:①通过调整安装应力,使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶板离层,这需要选择合理的锚杆类型和安装应力;②锚固系统应能够减少或消除顶板的拉应力区;③锚杆应能够锚固在稳定的岩层中;④锚固系统应有足够的能力控制顶板,并且在整个需要支护期间不失效。

根据支护理论和支护经验,经过数值分析后,初步确定支护方案。①锚杆形式:高强高预应力可变形让压锚杆。②锚杆钢材:高强螺纹钢(Q500)。

③锚杆参数:顶锚杆 20mm、长2400mm;帮锚杆 20mm、长2400mm。④锚杆预应力:不小于50 kN。⑤表面支护:JDW27522175mm高强W钢带。312　高强让压锚杆实验室试验

无让压管锚杆,锚杆迅速达到其屈服载荷,允许变形仅为8mm。有让压管的锚杆,在接近锚杆屈服前,锚杆迅速承受载荷。达到160kN时(锚杆实际屈服载荷为175kN),让压管开始启动让压,而锚杆仍然在弹性变形阶段。

313　巷道支护施工工艺

巷道施工布置如图1、图2所示。锚杆施工工艺如下

。

　图1　支护断面示意　　　图2　锚杆、锚索布置示意

(1)用锚杆机打2400mm(顶)、2200mm(帮)深的钻孔。把树脂药卷和锚杆推入规定的孔位。利用锚杆和锚杆搅拌器通过锚杆机的上推力把树脂推入孔中,直到锚杆托盘离顶板约20mm。注意在上推树脂时严禁旋转,严禁把托盘死死压在顶板上。

(2)迅速旋转锚杆搅拌15～20s(旋转搅拌时不要施加上推力),然后顺势上推锚杆使托盘贴近顶板(托盘离顶板的间隙5mm左右)。

(3)完成搅拌后停止30～40s,让树脂充分凝固。

(4)旋转搅拌器上紧螺母(在紧螺母时应用最大扭矩,而不要施加上推力,(下转第22页)

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5

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2008年第1期　　　　　　　张建国等:大埋深高应力巷道让压支护技术研究　　　　　　　总第151期

库和新成果图表,提供给通防技术决策部门。系统是开放的,利用互联网扩大知情面,扩大监督范围。该系统目前有的省份可以做到全省联网,使矿山有更多人关注,使矿山更安全(图3)

。

图3　安全监测监控管理信息系统

(4)矿山煤质远程管理信息系统。煤质直接决

定煤产品质量,尤其是为特定客户提供的专用煤种,

而煤的赋存是不稳定的,有时可能变化很大,所以煤质需要实时检测。动态修改煤质数据,通过平面图和煤质数据库系统,传输给煤质数据库服务器,从而形成新的煤质成果,包括煤质平面图、煤质曲线和煤

质数据表,通过互联网把数据提供给客户和煤质管理部门(图4)

。

图4　矿井煤质远程管理信息系统

3　结语

把数字矿山技术应用到地质勘探和矿山开发

中,始于21世纪初,我们建立了数字矿山网,为矿山修编报告,取得了较好的成绩。近年来,计算机技术不断发展,数字矿山技术不断完善,在矿山开发中的应用也更加深入。应充分利用数字矿山技术,进一步提高矿山技术水平,把矿山建设得更好。

(责任编辑:秦爱新)(上接第5页)　以最大限度上紧螺母)后,再用扭

矩放大器,进一步达到规定的安装应力。

4　支护效果

为全面了解己15223140运输巷锚杆锚索支护的工作状态,监控巷道所受到的地压影响,对巷道进行了监测。结果表明:与原来支护监测结果对比,顶板移近量减少了4412%,底板移近量减少了6514%,两帮移近量减少了70%,支护效果良好。巷道表面整体位移量较原支护方式减少了60%。

5　结语

(1)高强可变形让压锚杆+鸟巢锚索+W 钢带

支护质量和支护强度均达到了预期的设计要求。在施工过程中,巷道底鼓量占整个顶底板移近量的82%以上。在同一时间段内,巷道整体位移量较原支护方式减少了55%以上,支护效果明显。

(2)高强可变形让压锚杆+鸟巢锚索+W 钢带支护可以有效控制围岩变形,在经济合理的条件下提高支护强度、表面质量和支护效果。

(3)采用高强可变形让压锚杆+鸟巢锚索+W 钢带支护,每米巷道锚杆使用量较原支护方式减少了4713%,减少了施工作业量和支护成本,降低了劳动强度,提高了劳动效率。而且可以防止原支护方式导致的稳定巷道“二次变形”现象。参考文献:

[1]　钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制[M ].北京:煤炭工业出版

社,19.

[2]　薛顺勋,聂光国.软岩巷道支护技术指南[M ].北京:煤炭工业

出版社,2002.

(责任编辑:秦爱新)

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