孤島工作面順槽防沖耦合讓壓支護技術研究

1、石家莊中煤杯參評論文孤島工作面順槽防沖耦合讓壓支護技術研究陳東印，談力，王亞杰 捷馬（濟寧）礦山支護設備制造有限公司 山東 濟寧 272000摘 要 針對南屯煤礦具有強沖傾向的73上23孤島工作面順槽的實際情況，采用數值計算的方法確定了順槽易發(fā)生沖擊地壓的區(qū)域，并確定了危險的等級。根據此順槽的特殊地質與采礦條件，設計了防沖耦合讓壓支護系統(tǒng)對此工作面順槽進行了支護試驗。試驗巷道選用直徑22mm的高強耦合讓壓錨桿（讓壓壓力120150kN）和直徑17.8mm耦合讓壓“鳥窩”錨索（讓壓壓力210250kN），設計預應力分別為60kN和120kN。監(jiān)測的試驗巷道頂板最大下沉量62mm，兩幫最大相對移近

2、量206mm，工作面在回采過程中出現了應力集中現象，未發(fā)生沖擊地壓的災害。試驗表明，此防沖耦合讓壓支護系統(tǒng)適應此防沖支護的要求，實現了順槽的成功支護。關鍵詞 孤島工作面 耦合讓壓 沖擊地壓 鳥窩錨索- 1 概 述1.1 地質采礦條件南屯煤礦七采區(qū)73上23工作面位于七采區(qū)北部，工作面北鄰73上25工作面采空區(qū)，東部為九采三分區(qū)南部回風巷，南部為73上21（東）工作面采空區(qū)，西為73上21工作面采空區(qū)。本工作面設計開采3上煤層，該工作面范圍內，3上煤層賦存穩(wěn)定，煤層的厚度在1.506.0m之間，平均厚度5.38m。73上23工作面皮帶順槽荒寬為4900mm，荒高為3500mm，采用圓弧拱斷面，此

3、區(qū)域地質柱狀圖如圖1所示。圖1 73上23皮帶順槽地質柱狀圖1.2 沖擊地壓危險性評價結論根據數值分析及對73上23工作面沖擊地壓危險性的多因素評價，對危險區(qū)域位置、危險程度進行疊加。通過疊加分析，將這些危險區(qū)域劃分為兩類：一般危險區(qū)域2個用淺色表示（即老頂初次來壓及上部巖層周期斷裂危險區(qū)）；高度危險區(qū)域4個用深色表示（即單工作面見方、雙工作面見方、斷層危險區(qū)、煤柱危險區(qū)）。如圖2所示。圖2 73上23工作面動力災害危險區(qū)劃分圖上述的6個危險區(qū)按照開采順序依次為：第一危險區(qū)（老頂初次來壓危險區(qū)），當工作面推進到距切眼4050m；第二危險區(qū)（單工作面見方危險區(qū)），工作面推進到距切眼90130m；

4、第三危險區(qū)（雙工作面見方危險區(qū)），工作面推進到距切眼200300m；第四危險區(qū)（上部巖層周期斷裂區(qū)危險區(qū)），工作面推過300m以后；第五危險區(qū)（煤柱危險區(qū)）；第六危險區(qū)（斷層危險區(qū)）。另外，該工作面為“不對稱孤島面”，工作面兩側的覆巖結構不同，在73上21采空區(qū)一側，上覆巖層完全垮落，斷裂巖層已經著矸，地表已經完全沉降，因此在這一側煤柱上方的支撐壓力較??；而另一側的高位堅硬巖層并未斷裂，其仍橫跨于兩側的實體煤上方，則其煤柱上方的支撐壓力較大，且隨著工作面開采，覆巖結構將發(fā)生變化，容易引起工作面的動力災害。因此73上23工作面皮帶順槽一側沖擊危險性更大。2 耦合支護理念及防沖讓壓系統(tǒng)分析2.1

5、耦合支護理念耦合支護包括錨桿系統(tǒng)和圍巖耦合、錨索系統(tǒng)和圍巖耦合、錨桿間耦合及錨桿與錨索的耦合。錨桿系統(tǒng)和圍巖耦合：錨桿支護系統(tǒng)的支護強度和變形性能必須與圍巖耦合，以達到圍巖的穩(wěn)定平衡。錨索系統(tǒng)和圍巖耦合：錨索系統(tǒng)作為支護體的一部分，變形性能也必須與圍巖耦合，以達到圍巖的穩(wěn)定平衡。錨桿間的耦合：由于頂板和兩幫在不同位置的錨桿所經受的位移和應力過程不同，所以受力差別很大，這有可能造成受力大的錨桿首先破斷而將其本應承擔的力傳遞到鄰近的錨桿，造成錨桿依次順序破斷1。錨桿和錨索的耦合：錨桿和錨索間的變形耦合也非常重要。從支護體本身來講，錨桿和錨索具有如下區(qū)別：延伸率：錨桿的延伸率遠大于錨索的延伸率承載能

6、力：錨桿的承載能力離遠小于錨索的承載能力支護范圍：錨索長度一般來說大于錨桿長度。如果在設計和使用過程中應用不當，這種差別會導致錨桿或錨索由于變形協(xié)調不好而破壞，尤其會出現錨索大量破斷現象。2.2 防沖讓壓支護系統(tǒng)分析2.2.1 防沖支護系統(tǒng)設計的關鍵因素根據73上23工作面的地質采礦條件，順槽在掘進和長壁工作面回采期間將經受較大的應力和變形過程，同時，為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了客觀條件2。順槽支護設計時不僅要考慮巷道圍巖大變形的特性，同時要求錨桿支護系統(tǒng)必須具有防沖特性。因此作為防沖錨桿、錨索支護設計必須考慮以下四個關鍵因素：錨桿、錨索支護系統(tǒng)的支護原理；巷道圍巖應力與變形的關系； 支護系統(tǒng)工作特

7、性與圍巖應力、圍巖變形關系的耦合；防沖系統(tǒng)的靈敏度設計與參數選擇。2.2.2 防沖讓壓系統(tǒng)分析沖擊地壓對支護系統(tǒng)產生強烈的沖擊，往往造成支護系統(tǒng)被沖斷、摧毀。支護系統(tǒng)的設計必須滿足下列條件：增加支護強度：由于沖擊地壓所產生的沖擊效果難以預料，目前還沒有定量的計算方法，然而支護強度設計時必須比無沖擊條件下的支護強度提高1.5倍。提高支護系統(tǒng)對動壓的適應性：盡管支護系統(tǒng)強度增加了，然而，瞬時沖擊地壓所產生的沖擊力一般來說很難抗拒，所以，必須采取適當的防沖措施，使得沖擊地壓發(fā)生時，防沖措施可以把瞬時沖擊力緩解到支護強度之下。設置防沖系統(tǒng)應實現如下兩個方面目標：當發(fā)生沖擊地壓時，支護系統(tǒng)能夠發(fā)生靈敏的

8、反應，使支護系統(tǒng)在沖擊波產生的瞬間做出及時響應，并保證支護系統(tǒng)在變形過程中仍保持在安全可控范圍內（對于錨桿與錨索而言，就是保證其仍在彈性變形范圍內工作）。正常支護期間，通過合理的支護強度與讓壓均壓設計，使支護體系能夠適應圍巖應力變形的需要，保證支護體系服務期內穩(wěn)定，并有效控制圍巖的變形使其滿足安全生產需要。為實現上述防沖讓均壓耦合目標，需要對支護體系進行防沖與讓壓兩個方面的設計，為錨桿設計的防沖讓均壓耦合泡，如圖3所示。圖3 錨桿防沖讓均壓耦合泡防沖讓均壓耦合泡的設計是以圍巖應力與變形的關系以及支護系統(tǒng)的工況點等為基礎，防沖泡所起的作用是適應沖擊的需要，保證支護系統(tǒng)在彈性范圍內工作；讓壓泡的作

9、用一是適應采動影響以及圍巖應力過高時起到過載保護，二是保證支護系統(tǒng)受力均勻，即均壓。其工作原理示意圖如圖4所示。圖4 錨桿防沖讓壓耦合泡工作原理支護系統(tǒng)的正常工況點在D點，如發(fā)生沖擊地壓，巷道的支護體受力將急劇上升，此時讓壓耦合泡的作用就是隨著沖擊波的發(fā)生而隨之發(fā)生適應性變形以保護支護體；同時要保證沖擊波發(fā)生的瞬間，支護體仍在彈性范圍內而不至于因發(fā)生沖擊而破壞支護系統(tǒng)，瞬時工況點在E點，支護系統(tǒng)仍在彈性范圍內。支護系統(tǒng)的讓壓設計主要控制的參數是讓壓點、讓壓穩(wěn)定性與讓壓距離，在此不進行詳述。3 支護方案與支護參數設計3.1 支護方案73上23工作面皮帶順槽設計采用防沖耦合讓壓錨桿、錨索及金屬網聯(lián)

10、合支護系統(tǒng)。3.2 支護參數設計3.2.1 錨桿采用ANSYS模擬了不同錨桿預應力條件下的圍巖受力狀況，得到錨桿需施加的最佳預應力值。利用庫侖準則作為判定圍巖破壞的依據，同時結合工程經驗進行綜合分析，確定支護參數。（1）錨桿長度設計為了確定巷道錨桿長度，采用摩爾-庫侖安全系數法確定巷道圍巖的破壞范圍3。摩爾-庫侖安全系數評價公式為：式中：內摩擦角，°；1最大主應力，MPa；3最小主應力，MPa；C內聚力，MPa。對于頂板，當SF1.2時認為頂板是穩(wěn)定的；對于兩幫，當SF1.0時認為兩幫是穩(wěn)定的。根據有限元分析結果，頂板1.9m以上的SF>1.2即為穩(wěn)定巖層。為把錨桿錨固在相對穩(wěn)

11、定的巖層中，確定錨桿長度為2400mm。（2）錨桿預應力設計錨桿的預應力是發(fā)揮錨桿支護效能的關鍵，其主要作用有如下兩點4：防止頂板巖層產生離層；減小或消除頂板巖層中的拉應力區(qū)和拉應力值。經有限元優(yōu)化計算，確定錨桿的預應力值為60kN，錨索的預應力值120kN。為確保錨桿的預應力達到設計要求，施工時采用機械式扭矩放大器（扭矩放大3.5倍）對錨桿進行緊固。（3）錨桿直徑的確定依據錨桿安裝應力計算結果，錨桿的安裝應力不應大于錨桿屈服強度的50%，因此錨桿的最小屈服強度120kN?？紤]施工及成本因素，選擇錨桿的直徑為22mm、長為2400mm，桿材為Q500鋼，其錨桿屈服強度大于190kN（考慮了防沖

12、要求的1.5倍的安全系數），抗拉強度大于250kN。（4）錨桿間排距的確定有限元模擬是按1m排距計算的，并考慮了必要的安全系數。為確保安全，在試驗階段設計排距900mm，間距825mm。（5）防沖耦合讓壓泡在合理的錨桿長度和安裝應力條件下，錨桿支護系統(tǒng)將發(fā)揮其應有的作用并承受圍巖的變形載荷。然而，部分圍巖變形是不可控制的，所以錨桿支護系統(tǒng)必須有控制讓壓能力。根據所選用的錨桿強度，防沖耦合讓壓泡的控制讓壓壓力120150kN，長度70mm，讓壓距離36mm。（6）配件為滿足錨桿桿體強度及增加護表面積的要求，錨桿采用面積較大的150×150×10（mm）托盤，其強度大于280k

13、N。錨桿配套阻尼螺母及“三明治”墊圈。3.2.2 錨索為適應地質條件的變化，采用快裝耦合讓壓“鳥窩”錨索作為輔助支護5。設計錨索直徑為17.8mm、長度為7m，錨索強度大于360kN。錨索配置300×300×12（mm）的高強球型托盤。錨索布置在兩排錨桿的中間，排距為1900mm。錨索采用防沖耦合“雙泡”讓壓環(huán)，讓壓壓力210250kN。皮帶順槽支護方案如圖5所示。 圖5 73上23皮帶順槽支護斷面圖4 皮帶順槽支護效果分析73上23工作面皮帶順槽試驗段設置了3組觀測站，主要監(jiān)測內容包括：巷道表面位移監(jiān)測、錨桿錨固力監(jiān)測、錨桿安裝應力（預應力）監(jiān)測、錨桿與錨索受力狀態(tài)監(jiān)測及

14、頂板離層監(jiān)測5個方面。（1）錨桿安裝應力監(jiān)測為確定錨桿的安裝應力與安裝扭矩的對應關系，便于井下錨桿施工及安裝質量檢測，在井下進行了安裝應力與安裝扭矩關系試驗。錨桿安裝應力與安裝扭矩關系如圖6所示。當采用高強扭矩應力錨桿時，監(jiān)測到錨桿的安裝扭矩不小于250N·m，能滿足設計的錨桿安裝應力60kN左右的要求。圖6 錨桿安裝應力與安裝扭矩關系（2）錨桿錨固力監(jiān)測在掘進期間對10根錨桿進行了井下拉拔試驗，錨固力達到180kN時錨桿系統(tǒng)均未發(fā)生破壞，圖7為一個頂板錨桿的拉拔試驗曲線，此時錨桿預應力65kN，錨桿的屈服強度190kN，錨桿在拉拔過程中性能很穩(wěn)定。圖7 錨桿拉拔試驗拉力位移曲線（3

15、）巷道表面位移監(jiān)測根據三組觀測站觀測到的數據知，皮帶順槽在整個服務期間頂板最大下沉量62mm，兩幫的最大相對移近量206mm，巷道的變形主要發(fā)生在采煤工作面回采期間，巷道的整體表現比較穩(wěn)定，在掘進與回采期間，巷道掘進迎頭與采煤工作面的端頭區(qū)域“煤炮”較多，礦壓顯現比較明顯，未形成沖擊地壓災害。（4）錨桿受力狀態(tài)監(jiān)測通過三組觀測站錨桿與錨索托板壓力表的監(jiān)測數據表明，頂板錨桿的最大拉力165kN，兩幫錨桿的最大拉力145kN，錨桿未達到屈服狀態(tài)。頂板錨索的最大拉力225kN。大部分錨桿、錨索的讓壓裝置出現了明顯變形，說明錨桿、錨索的耦合讓壓設計發(fā)揮了作用。（5）頂板離層監(jiān)測通過窺孔儀在試驗段對頂板

16、6個觀測孔進行的觀測發(fā)現，僅個別點出現了1015mm的離層，其中淺部最大離層9mm，深部最大離層7mm。5 結 論通過防沖耦合讓壓錨桿、錨索支護系統(tǒng)的共同作用，增強了巷道支護系統(tǒng)的強度，適應了動壓影響的要求；通過提高高強錨桿、錨索的預應力以及巷道表面支護強度，提高了巷道的支護效果，巷道實現了一次性支護穩(wěn)定，不需維修及加固。通過耦合支護設計，實現了支護系統(tǒng)與圍巖的變形協(xié)調，既適應了巷道變形需要又實現了保護支護系統(tǒng)的目標。73上23工作面皮帶順槽防沖耦合讓壓支護試驗的成功表明，在具有沖擊傾向性條件下順槽采用合理的防沖耦合讓壓支護系統(tǒng)和設計參數可以實現類似條件下的巷道一次支護成功，是一種技術可行、經濟合理的支護方式。參考文獻1 王亞杰.深井高地壓、大變形圍巖巷道支護技術及錨桿設計J.煤礦支護,2008,(1):8-18.2 于斌.高強度錨桿支護系統(tǒng)及在大斷面煤巷中的應用J.煤炭科學技術,2011,39(8):5-8,18.3 王金華.全煤巷錨桿錨索聯(lián)