錨梁網(wǎng)索支護在綜放工作面煤巷中的應(yīng)用

錨梁網(wǎng)索支護在綜放工作面煤巷中的應(yīng)用

復(fù)合屋頂層的防護技術(shù)已經(jīng)多年，一直是潘一礦隧道防護技術(shù)的難點之一。為了進行復(fù)合頂板巷道支護改革,1997年潘一礦曾在東二11槽軌道下山試驗采用錨梁網(wǎng)支護技術(shù),由于當時對該類巷道頂板的巖性結(jié)構(gòu)認識不清,對錨梁網(wǎng)支護的技術(shù)參數(shù)選取缺乏科學(xué)依據(jù),從而導(dǎo)致了巷道在施工過程中出現(xiàn)了冒頂事故,這在一定程度上影響了錨桿支護技術(shù)在潘一礦的推廣應(yīng)用。近年來,隨著礦井開采深度的增加和開采規(guī)模的擴大,巷道支護,特別是復(fù)合頂板巷道支護問題日益突出。顯然仍單純采用架棚支護,對于煤礦企業(yè)是沒有出路的。為了降低巷道支護成本,同時也為了促進錨桿支護技術(shù)在全礦的推廣應(yīng)用,潘一礦在總結(jié)上次錨梁網(wǎng)支護失敗經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,于2000年4月與合肥煤炭研究所合作,在西三11槽膠帶機下山進行了大采深復(fù)合頂板錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護試驗,并取得了成功。1頂板結(jié)構(gòu)特點大采深復(fù)合頂板煤巷錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護試驗巷道為西三11槽膠帶機下山,該巷道沿煤層頂板掘進,鉆眼爆破法施工,巷道斷面形狀為矩形,巷道凈高2.7m,凈寬3.6m,埋深H=650～750m,巷道長1500m。煤層結(jié)構(gòu)簡單,賦存穩(wěn)定,煤厚為1.36～1.59m,該區(qū)域內(nèi)煤層產(chǎn)狀為210～220°,傾角4～6°,整體為一單斜構(gòu)造,但小斷層較發(fā)育,對采掘及安全均有不同程度的影響。巷道直接為泥巖,厚0.5～1.24m,平均為0.77m,其上有一層煤線,煤線上面為砂質(zhì)泥巖,厚1.69～2.55m,平均為2.05m,該巖層多含泥質(zhì)、結(jié)構(gòu)疏松,在砂質(zhì)泥巖上面又覆蓋著一層煤線,在這一層煤線的上面又是0～7.37m的泥巖,基本頂為灰白色中砂巖和砂質(zhì)泥巖,厚6.96～7.82m,平均為6.16m,由于該巷道頂板下位巖層軟、上位巖層硬、中間并夾有兩層煤線,因此為典型的復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)。巷道直接底為砂質(zhì)泥巖,厚度為3.54～4.53m,老底為中細砂巖,厚2.90m～6.6m。2頂板離層后巷道頂板支護存在的問題西三11槽膠帶機下山復(fù)合頂板厚,巷道頂板在5m高度內(nèi)的3個分層就被兩層煤線界開,而這兩層煤線在構(gòu)造上就相當于兩個巖層弱面,它把巷道頂板自上而下的泥巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖相互分離開來。由于各分層之間的粘結(jié)力低,頂板各分層之間易于發(fā)生離層,頂板各分層離層后,頂板巖層將不再作為一個整體承受上覆巖層荷載和應(yīng)力,這將大大降低頂板巖層承受壓力的作用,從而造成:一方面頂板巖層內(nèi)的彎矩成倍增加;另一方面頂板巖層內(nèi)的拉應(yīng)力不僅在頂板下位巖層內(nèi)向上擴展,也會在各分層的下部區(qū)域產(chǎn)生,其結(jié)果必然會導(dǎo)致巷道頂板垮落。顯然架棚支護作為一種被動支護方式,難以承受如此大的覆巖層載荷,而單純的錨梁網(wǎng)支護,因其錨桿長度的限制,也無法將該巷道復(fù)合頂板下位軟巖層完全錨固到上位穩(wěn)定的巖層之上,只有采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護技術(shù),才能解決該巷道支護問題。西三11槽膠帶機下山應(yīng)用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護的作用機理,主要體現(xiàn)在以下兩個方面。2.1“疊合梁”工作狀態(tài)西三11槽膠帶機下山復(fù)合頂板分層多,由于分層之間的粘結(jié)力低,因此各分層之間基本上呈“疊合梁”工作狀態(tài)。采用錨梁網(wǎng)支護后,通過錨桿的預(yù)緊力,擠壓加固頂板巖層,通過增加各分層之間摩擦力,阻止層間相對錯動,同時錨桿本身也提供一定的抗剪力,從而使得錨桿錨固范圍內(nèi)的巖層共同變形,這樣復(fù)合頂?shù)摹隘B合梁”就變成了具有一定厚度和強度的組合梁。2.2復(fù)合梁難以保證支護可靠性由于西三11槽膠帶機下山復(fù)合頂板厚,顯然普通錨桿無法將復(fù)合頂板下位軟巖層完全納入錨桿錨固范圍之內(nèi)。因此,單純地應(yīng)用普通錨梁網(wǎng)所形成的組合梁,難以保證該巷道復(fù)合頂板支護的可靠性。因而必須要在普通錨梁網(wǎng)支護的基礎(chǔ)上,采用錨索補強加固,即通過錨索的懸吊作用,將錨梁網(wǎng)所形成的組合梁懸吊于復(fù)合頂板上部穩(wěn)定的巖層之上,通過錨索的預(yù)緊力,擠壓加固頂板巖層,從而增加錨梁網(wǎng)所形成的組合梁與錨桿錨固范圍之上的巖層之間的摩擦力,于是頂板錨索錨固范圍內(nèi)的巖層,在錨桿、錨索、梁及網(wǎng)的作用下,形成了一個厚度增大、抗彎強度和剛度提高的新的組合梁結(jié)構(gòu)。3梁網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)3.1錨桿安裝及支護安裝錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護的基本結(jié)構(gòu)主要有兩部分組成:一是頂板部分;一是巷幫部分。頂板部分主要由錨桿、錨索、槽鋼梁及鋼筋網(wǎng)背板組成;巷幫部分主要由錨桿、槽鋼梁及鋼筋網(wǎng)背板組成。頂板每根槽鋼梁上安裝3根錨桿、1根錨索,錨索布置在槽鋼梁中部,且沿巷道縱向,槽鋼梁中部的錨桿和錨索呈交錯布置。巷幫每根槽鋼梁上安裝2根錨桿,為防止巷道底鼓,在每根槽鋼梁下面布置1根底角錨桿。安裝時,先緊貼巖面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)背板(相鄰背板用連接桿相互聯(lián)接),槽鋼梁緊壓背板,而錨桿和錨索則穿過槽鋼梁及背板錨入到頂板巖層內(nèi),具體結(jié)構(gòu)見圖1所示。3.2錨桿直徑、間距、錨索長度錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護的作用在于維護巷道頂板及巷幫的完整性,因此按照組合梁及懸吊理論進行各參數(shù)計算,其支護參數(shù)如下:錨桿長:2.5m,錨桿直徑:?20mm;錨桿間距:1.0m,錨桿排距:0.9m;錨索長:6.2m,錨索直徑:?15.24mm;錨桿藥卷:Z2350(每孔2卷);錨索藥卷:Z2350(每孔4卷);頂板槽鋼梁長:3.2m(12#);巷幫槽鋼梁長:1.8m(12#);鋼筋網(wǎng)背板規(guī)格:0.9m×0.8m,其中頂板每排使用4塊,巷幫每排使用2塊。4觀測結(jié)果表明，礦壓觀測結(jié)果的分析為了驗證錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護對西三11槽膠帶機下山支護的可靠性,試驗期間,對巷道圍巖表面位移、深部位移及錨桿受力等參數(shù)進行了觀測。4.1巷道圍巖變形速度巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平抗苍O(shè)3個觀測站,具體觀測數(shù)據(jù)見表1所示。由表1可知:距掘進頭30m以內(nèi)為巷道變形明顯區(qū)段,在該區(qū)段內(nèi),巷道頂板及兩幫移近速度分別為2～2.4mm/d和3～3.4mm/d;距掘進頭30～110m為巷道變形基本穩(wěn)定區(qū)段,在該區(qū)段內(nèi),巷道頂?shù)装搴蛢蓭?其圍巖變形速度均在1mm/d以下;距掘進頭大于110m為巷道圍巖變形穩(wěn)定區(qū)段,在該區(qū)段內(nèi),巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平俣染?.1mm/d以下。4.2頂頂圍巖離層規(guī)律巷道頂板圍巖深部位移觀測共設(shè)5個深部位移鉆孔,其中,頂4和頂5鉆孔位于頂板斷層破碎帶區(qū)域內(nèi),每個鉆孔內(nèi)安裝6個位移測點,各測點距孔口表面距離分別為1m,2m,3m,4m,5m,6m。具體觀測結(jié)果如圖2所示。圖2說明,頂1、頂2、頂3鉆孔頂板各測段圍巖沒有發(fā)生離層,但頂4和頂5鉆孔頂板圍巖有離層現(xiàn)象。頂4鉆孔頂板圍巖離層點發(fā)生在距離頂板表面1～2m深處,頂5鉆孔頂板圍巖離層點發(fā)生在距離頂板表面2～3m深處。造成上述現(xiàn)象的主要原因是由于頂4和頂5鉆孔位于斷層破碎帶區(qū)域,而該區(qū)域內(nèi)頂板表面巖塊破碎,因此一旦錨桿外錨端的破碎巖塊發(fā)生脫落,就必然造成錨桿外錨失效,進而也就造成了該區(qū)域內(nèi)頂板錨桿錨固范圍內(nèi)的巖層離層,然而由于錨索的懸吊作用,限制了頂板離層的進一步發(fā)展。由圖2可以看出,頂4和頂5鉆孔頂板圍巖離層值均為20mm左右,且基本上都控制在安全范圍內(nèi),這說明錨索作為一種補強支護措施,能夠平衡潛在垮落范圍內(nèi)巖層的冒落,因而是一種安全有效支護形式。4.3深部位移測點安裝巷幫圍巖深部位移共設(shè)3個觀測剖面,每個觀測剖面設(shè)2個深部位移鉆孔(即巷道左右?guī)透髟O(shè)1個深部位移鉆孔),每個鉆孔內(nèi)安裝4個深部位移測點,各測點距孔口表面距離分別為0.5m,1.0m,1.5m及2.5m。巷幫圍巖深部位移觀測結(jié)果如圖3所示。圖3說明,巷幫圍巖的穩(wěn)定點在距離巷道表面2.5m以外更深處,在整個試驗過程中,巷幫圍巖沒有發(fā)生離層現(xiàn)象,圍巖變形主要以膨脹變形為主,且變形是由巷幫表面向深處逐漸發(fā)展的。4.4托錨力變化情況錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護試驗段共設(shè)3組錨桿測力計觀測錨桿受力,圖4為每組頂板中部錨桿托錨力變化情況。由圖4可知,該巷道頂板中部錨桿受力比較均勻,其托錨力一般為10～20kN,這說明錨桿對頂板變形起到了有效的約束作用,因而錨桿也就能有效地保持頂板的完整與穩(wěn)定。5錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(1)西三11槽膠帶機下山錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護礦壓觀測結(jié)果表明,在試驗期間,該巷道頂?shù)装謇塾嬕平績H為35～41mm,兩幫累計移近量也僅為55～62mm。雖然在斷層破碎帶附近頂板錨桿錨固范圍內(nèi)有離層現(xiàn)象發(fā)生,但由于錨索的懸吊和加固作用,限制了離層的進一步發(fā)展。因此,錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護技術(shù)上可行,安全上可靠,是今后潘一礦復(fù)合頂板巷道支護改革的一條有效途徑。(2)西三11槽膠帶機下山采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護,不僅支護效果明顯,而且