深部回采巷道超前錨索梁錨固方案研究

深部回采巷道超前錨索梁錨固方案研究

采區(qū)位于采煤景觀規(guī)劃的前方，尤其是在前方的空間較小、設(shè)備多、員工多，受采動(dòng)和各種安全壓力的影響，礦壓復(fù)雜。特殊的空間環(huán)境使該區(qū)域或其他區(qū)域容易存在安全隱患。煤路返回和前方段的有效安全控制一直是樁巖圍巖控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。采用液壓金屬支架進(jìn)行超前支護(hù)主要有3方面不足：1)需要專人進(jìn)行操作和維護(hù)，達(dá)不到減員增效的目的；2)占用巷道作業(yè)空間，給其它工序施工帶來較大影響；3)液壓支架每次移動(dòng)均需進(jìn)行加載、卸載作業(yè)，對頂板圍巖會(huì)產(chǎn)生一定的破壞作用。研究和實(shí)踐表明，工作面回采時(shí)，以錨網(wǎng)索方式來實(shí)現(xiàn)對回采巷道的超前控制，通過發(fā)揮錨索梁的主動(dòng)錨固作用，顯著提升巷道錨固巖體的強(qiáng)度、剛度及承載能力、抗變形能力，既能更好地滿足回采巷道安全使用的生產(chǎn)要求，又可以解決棚式支護(hù)所存在的主要問題和不足。1巷道采方式確定新橋煤礦隸屬于河南永煤集團(tuán)股份有限公司，已經(jīng)進(jìn)入深部開采，并呈現(xiàn)出較為明顯的深部巷道圍巖變形破壞特征。近幾年來，新橋煤礦實(shí)行“一面三巷”的大采長工作面回采方式，即一個(gè)采煤工作面傾向長約380m，共布置上平巷、中平巷和下平巷3條回采巷道。為了控制巷道變形量和實(shí)現(xiàn)安全回采，該礦對3條平巷都采用液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)，下平巷還同時(shí)配備“單體柱+π型鋼梁”進(jìn)行補(bǔ)充支護(hù)，方能滿足巷道使用要求。為此，提出以“錨桿-錨索-鋼帶”或“錨索-鋼帶”主動(dòng)錨固來取代液壓支架超前支護(hù)的技術(shù)思路，并選擇該礦2301綜采工作面的中平巷來進(jìn)行超前錨固試驗(yàn)。2301中平巷位于南三采區(qū)，埋深-673m，總長度1930m左右，沿二2聯(lián)合錨定方案2.1協(xié)同錨固機(jī)理式研究表明，采用錨網(wǎng)索材料對工程巖體進(jìn)行錨固時(shí)，通過對影響巷道圍巖錨固系統(tǒng)的幾何特性參數(shù)、物理特性參數(shù)、力學(xué)特性參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性參數(shù)等參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在提升子系統(tǒng)自身功能的基礎(chǔ)上，促使子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)合作、相互作用、互為結(jié)果，一方面充分調(diào)動(dòng)和發(fā)揮各子系統(tǒng)的最佳性能，另一方面促使錨固系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同錨固作用和協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，從而有效提高錨固巖體強(qiáng)度、剛度、承載能力、抗變形能力和整體穩(wěn)定性，更好地實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的巷道圍巖控制目標(biāo)和要求，即協(xié)同錨固機(jī)理式中：P基于協(xié)同錨固機(jī)理研究，在工程實(shí)踐中逐步建立包含錨桿(索)預(yù)緊力、錨桿(索)錨固力、錨桿(索)長度、錨桿(索)鉆裝角度、錨桿(索)布置方式及密度、錨桿(索)變形、錨固巖體強(qiáng)度、錨固巖體剛度等在內(nèi)的協(xié)同作用機(jī)制及錨固技術(shù)，并取得了明顯成效。因此，協(xié)同錨固更適合于巷道圍巖控制的本質(zhì)要求，決定在2301中平巷采取錨網(wǎng)索協(xié)同錨固方式來取代液壓支架超前支護(hù)方式。2.2錨桿錨固力檢測2301采面中平巷從掘進(jìn)到開始回采的時(shí)間跨度長達(dá)2a左右，出于安全考慮，需要對原來施工的錨桿(索)錨固力進(jìn)行檢測，以探知錨桿(索)錨固力和錨固質(zhì)量狀況。1)錨桿錨固力檢測。在試驗(yàn)段每隔10m左右布置1個(gè)測站，采用錨桿拉拔計(jì)分別對頂板、幫部錨桿進(jìn)行錨固力檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)為拉力達(dá)到200kN時(shí)，錨桿沒有發(fā)生拉脫、拉松等現(xiàn)象。頂板錨桿共抽檢12根，不合格率為25%，幫部共抽檢6根，不合格率為33%，表明錨桿存在錨固力弱化或施工不良的情況。2)錨索錨固力檢測。與錨桿相對應(yīng)，每隔10m左右布置1個(gè)測站，對頂板錨索進(jìn)行錨固力檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)為拉力達(dá)到280kN時(shí)，錨桿沒有發(fā)生拉脫、拉松等現(xiàn)象。共檢測了12根錨索，不合格率達(dá)到33%，表明錨索同樣存在錨固力弱化或施工不良的情況。檢測結(jié)果表明，該巷道原有錨桿(索)錨固能力不足，需要重新進(jìn)行加固，才有可能取代棚式超前支護(hù)。而且，考慮到巷道圍巖已經(jīng)發(fā)生較大范圍的破碎與松動(dòng)，此時(shí)再補(bǔ)打錨桿所能提供的控制范圍有限，而且會(huì)增加較大工作量，故選擇以“錨索+鋼帶(或金屬梁)”(簡稱錨索梁，以下同)進(jìn)行重新錨固，以實(shí)現(xiàn)取代液壓支架超前支護(hù)的目標(biāo)。2.3錨索錨固結(jié)構(gòu)確定由于本試驗(yàn)研究的目標(biāo)是采用錨索梁錨固來取代液壓支架超前支護(hù)，假定回采時(shí)所產(chǎn)生的綜合荷載均由新安裝的錨索梁來承擔(dān)，所以在進(jìn)行錨索梁錨固參數(shù)計(jì)算時(shí)，對巷道原有錨網(wǎng)索尚存的錨固能力不予考慮，相當(dāng)于錨索梁與液壓支架的承載能力等同，以簡化對問題的研究和解決。1)采動(dòng)影響下頂板冒落高度計(jì)算。根據(jù)回采巷道變形破壞規(guī)律，采用自然平衡拱理論計(jì)算動(dòng)載作用下頂板的冒落高度，再反推出錨索布置密度、錨固力等參數(shù)。自然平衡拱理論計(jì)算原理如圖1所示。在動(dòng)載作用和影響下，煤層巷道巷幫破壞深度C由式(2)確定：式中：K根據(jù)2301中平巷的斷面尺寸和相關(guān)文獻(xiàn)可知，K頂板巖層的破壞深度b按相對于層理的法線計(jì)，可根據(jù)式(3)求出：式中：a為巷道的半跨距，m；α為煤層傾角，(°)；k考慮現(xiàn)場實(shí)況，取a=2.2m；煤層傾角取平均值，即α=8°；頂板巖體在動(dòng)載下發(fā)生破壞，故取待錨巖層的穩(wěn)定性系數(shù)k2)錨索錨固參數(shù)計(jì)算。出于具體施工情況和安全考慮，假定錨索的最終作用僅表現(xiàn)為被動(dòng)懸吊，即只要被動(dòng)懸吊時(shí)是安全的，則主動(dòng)錨固時(shí)就更為安全，故采用懸吊理論計(jì)算錨索的相關(guān)參數(shù)。錨索長度。錨索長度采用式(4)計(jì)算：式中：L為錨索長度，m;L根據(jù)式(3)計(jì)算結(jié)果可知，錨索有效長度至少為頂板的冒落深度，即L考慮到錨固端所處巖層的位置和錨索傾斜鉆裝的影響，最終設(shè)計(jì)錨索長度為8.2m。錨索間排距。按照高錨固力要求，錨索寧可被拉斷也不能拉脫，所以錨索錨固力設(shè)計(jì)應(yīng)不小于被懸吊的不穩(wěn)定巖層的重量，用式(5)計(jì)算：式中：Q為錨索設(shè)計(jì)錨固力，MN;K為安全系數(shù)，一般取1.5～2;a礦方現(xiàn)用錨索直徑為21.6mm，抗拉強(qiáng)度F取安全系數(shù)K=2.0，當(dāng)錨索錨固力滿足要求時(shí)，可視其錨固力與索體的破斷力相等，則錨索間排距乘積為：根據(jù)現(xiàn)場施工條件，錨索間距a考慮到錨固劑最終效能、動(dòng)壓影響、安全要求和現(xiàn)場施工條件等，最終選擇錨索間距為0.9m左右，排距為1.6m左右。此時(shí)，錨索錨固的安全系數(shù)約為4.0左右，從理論上能夠滿足回采巷道的安全要求，但需要進(jìn)行工程試驗(yàn)后方能確定，并采取有效的安全防范措施。2.4錨索梁錨固施工2301中平巷采用液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)的距離約40m?？紤]采面回采進(jìn)度和錨索梁錨固施工的時(shí)空關(guān)系，在超出工作面采動(dòng)影響的范圍外進(jìn)行錨索梁錨固施工。隨著工作面的回采，待液壓支架挪移至新安裝的錨索梁位置時(shí)，則不再使用液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)。出于安全作業(yè)考慮，分為3個(gè)試驗(yàn)段，對應(yīng)地設(shè)計(jì)了A,B,C這3種錨索梁錨固方案，其時(shí)空關(guān)系如圖2所示。2.4.1a方案錨索安裝施工A方案試驗(yàn)長度為40m。由于巷道原有錨桿(索)錨固能力存在明顯的弱化現(xiàn)象，而且是試驗(yàn)初段，該方案在補(bǔ)打5列錨索梁的基礎(chǔ)上，再用“單體柱+π型鋼梁”進(jìn)行保護(hù)性支護(hù)，且為“1梁2柱”方式。根據(jù)協(xié)同錨固機(jī)理及技術(shù)，5列錨索梁錨固參數(shù)設(shè)計(jì)如下：1)頂板錨固設(shè)計(jì)。如圖3(a),(b)所示，主要錨固參數(shù)為：(1)錨索規(guī)格為Φ21.6mm×8200mm，共鉆裝5列錨索，間排距為900mm×1600mm。頂板軸中線處錨索沿法向安裝，兩側(cè)錨索與法向成30°角偏向幫部安裝。錨索均使用“2條MSK2550+2條MSZ2550”錨固劑，錨固長度不少于2000mm，預(yù)緊力為160kN左右；(2)軸中線與靠幫兩側(cè)處3列錨索采用鋼帶沿走向進(jìn)行“連續(xù)式”連鎖，它們中間處2列錨索則進(jìn)行“間斷式”連鎖。2)高幫錨固設(shè)計(jì)。如圖4(a),3(b)所示，主要錨固參數(shù)為：(1)高幫每排鉆裝3根中錨索，規(guī)格為Φ21.6mm×4500mm，間排距為1200mm×1600mm，腰線處錨索垂直圍巖表面鉆裝，底角錨索下扎30°、頂角錨索上偏15°鉆裝。錨索使用“1條MSK2550+2條MSZ2550”，錨固長度不少于1500mm，預(yù)緊力為140kN左右；(2)沿巷道走向使用鋼帶將錨索縱向連鎖，腰線處錨索采用“連續(xù)式”連鎖，底角及頂角錨索采用“間斷式”連鎖。3)低幫錨固設(shè)計(jì)。如圖4(b),3(b)所示，主要錨固參數(shù)為：(1)低幫每排鉆裝2根中錨索，間排距為1800mm×1600mm，其它錨固參數(shù)同高幫；(2)沿巷道走向使用鋼帶將錨索進(jìn)行“間斷式”連鎖。4)鋼帶設(shè)計(jì)。采用T型鋼帶，長度3600mm，眼距1600mm，每根鋼帶布置3個(gè)眼孔，眼孔加工成橢圓形，長邊約80mm，弧邊直徑約30mm，兩端預(yù)留長度200mm。5)安全支護(hù)設(shè)計(jì)。完成A方案錨索梁錨固施工后，又根據(jù)現(xiàn)場實(shí)況分為2小段，每小段各20m長。第一小段采用“1梁2柱”方式進(jìn)行安全支護(hù)，但在回采時(shí)單體柱及π型梁承載作用不明顯，于是在第二小段取消了安全支護(hù)方式，完全由錨索梁來實(shí)現(xiàn)超前承載。2.4.2頂板錨固參數(shù)設(shè)計(jì)為了與A方案形成對比分析，通過研究及計(jì)算，將頂板錨索梁布置改為3列，且同樣不采取安全支護(hù)方式，以求證降低錨索梁布置密度后可能出現(xiàn)的情況。頂板錨固參數(shù)及幫部錨固設(shè)計(jì)同A方案。該方案錨索梁錨固設(shè)計(jì)如圖5(a),(b)所示。2.4.3巷道錨桿索加固方案考慮到A方案布置時(shí)距離采面相對較近，有可能受到回采動(dòng)壓的超前影響，而B方案亦有可能因A方案不足而受到影響，加上巷道原有錨桿(索)施工質(zhì)量及錨固力存在不足，在前期計(jì)算研究的基礎(chǔ)上，決定繼續(xù)采用補(bǔ)打5列錨索梁方式進(jìn)行超前錨固，且試驗(yàn)長度增加到50m，以排除采面回采時(shí)超前動(dòng)壓的作用和影響，取得較為真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和效果。該方案設(shè)計(jì)圖及錨固參數(shù)同A方案，實(shí)際施工效果見圖6。2.4.4錨固方案調(diào)查區(qū)變形量和支護(hù)密度為了監(jiān)測巷道變形量和錨索的承載情況，在進(jìn)行A,B,C方案施工時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)段都布置3～5個(gè)測點(diǎn)，選取頂板和幫部錨索錨索安裝壓力盒，并每天都安排人員進(jìn)行專門量測。1)巷道變形量對比分析。對A,B,C這3個(gè)方案的頂板下沉、底鼓及兩幫縮進(jìn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖7所示，進(jìn)行對比分析可知：對于頂板下沉量最大值，A方案前20m為124mm，后20m為186mm,B方案為115mm,C方案為62mm；對于底鼓量最大值，A方案前20m為230mm，后20m為592mm,B方案為251mm,C方案為173mm；對于高幫收縮位移量最大值，A方案前20m為107mm，后20m為322mm,B方案為120mm,C方案為120mm；對于低幫縮進(jìn)位移量最大值，A方案前20m為110mm，后20m為168mm,B方案為231mm,C方案為66mm。從多個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)上來看，B方案變形量最大，是因?yàn)殄^索梁布置密度最小，整體錨固能力下降所至；A方案次之，且后20m比前20m變形量大，是因?yàn)榍?0m有單體柱作為補(bǔ)充支護(hù)；C方案變形量最小，表明該方案的控制效果最好，且滿足采面回采時(shí)巷道的安全使用要求。2)錨索受力對比分析。如圖8所示，對A,B,C這3個(gè)方案的錨索受力情況進(jìn)行對比分析可知，3個(gè)方案均為頂板錨索受力較大，幫部次之，且錨索受力最大值均在錨索的承載能力之內(nèi)，其中：A方案前20m頂板錨索受力最大值為46MPa，幫部錨索受力最大值為38MPa;A方案后20m頂板錨索受力最大值為44MPa，幫部錨索受力最大值為45MPa;B方案頂板錨索受力最大值為52MPa，幫部錨索受力最大值為21MPa;C方案頂板錨索受力最大值為30MPa，幫部錨索受力最大值為23.5MPa。從多個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)來看，C方案的頂板錨索受力最小，表明該方案的錨索梁錨固效果最好，且滿足采面回采時(shí)巷道的安全使用要求。3減員增效措施1)采用錨索梁對回采巷道進(jìn)