王海寧楊云龍奚家米陳新年田俊蜂

(1.澄合礦業(yè)有限公司二礦公司,陜西省渭南市,715208;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西省西安市,710054)

復(fù)合頂板大跨度切眼錨網(wǎng)(索)支護(hù)技術(shù)研究應(yīng)用

王海寧1楊云龍1奚家米2陳新年2田俊蜂2

(1.澄合礦業(yè)有限公司二礦公司,陜西省渭南市,715208;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西省西安市,710054)

以澄合二礦24506大跨度切眼斷面錨桿(索)支護(hù)項(xiàng)目為工程背景,運(yùn)用理論計(jì)算、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段,對(duì)復(fù)合頂板大跨度切眼支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,得出復(fù)合頂板大跨度切眼支護(hù)較為合理的支護(hù)參數(shù)。

復(fù)合頂板 大跨度開切眼 錨網(wǎng)索支護(hù) 支護(hù)參數(shù)

隨著煤礦開采深度的增加,巷道地質(zhì)條件更為復(fù)雜,出現(xiàn)復(fù)合頂板的煤礦巷道更為常見。在這種地質(zhì)條件較差的復(fù)合頂板巷道中采用大跨度切眼開采,給巷道的支護(hù)帶來了更大的難度。為此需要現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)和施工人員根據(jù)不同的地質(zhì)情況提出合適的支護(hù)參數(shù),才能保證煤礦安全、高效生產(chǎn)。

1 復(fù)合頂板大跨度切眼支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)研究

復(fù)合頂板巷道圍巖為差異性很大的非均質(zhì)層狀賦存,在圍巖應(yīng)力作用下表現(xiàn)為頂板極易離層、冒落,難以形成自承載結(jié)構(gòu),頂板、兩幫變形相互作用,形成惡性循環(huán)。在這種地質(zhì)條件采用大跨度切眼開采,傳統(tǒng)的被動(dòng)支護(hù)不能滿足巷道的穩(wěn)定要求。因此針對(duì)復(fù)合頂板大跨度切眼,設(shè)計(jì)合理的錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù),才能有效保證巷道的穩(wěn)定性、安全性。

根據(jù)復(fù)合頂板的破壞特征和地質(zhì)特點(diǎn),大跨度切眼巷道支護(hù)設(shè)計(jì)采用工程類比、理論計(jì)算、圍巖松動(dòng)圈的測(cè)定、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。根據(jù)初始設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的信息反饋不斷調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù),以獲取最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

1.1 設(shè)計(jì)方法

(1)工程類比法。根據(jù)要設(shè)計(jì)巷道的地質(zhì)條件,通過類比相似地質(zhì)條件的巷道支護(hù)設(shè)計(jì),得出初步的支護(hù)方案。

(2)頂板懸吊理論計(jì)算。根據(jù)頂板復(fù)合層的厚度來確定頂板冒落拱的高度,采用理論公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

(3)數(shù)值分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)法。采用FLAC軟件對(duì)初始設(shè)計(jì)后的巷道進(jìn)行穩(wěn)定性分析,通過不斷的分析,調(diào)整設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù),從而得到較為合理的支護(hù)參數(shù)。

本文先采用工程類比和懸吊理論計(jì)算法對(duì)24506工作面切眼進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算,然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐和數(shù)值分析對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析。

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)包括錨桿、錨索的長度及間排距,支護(hù)材料選擇,支護(hù)效果監(jiān)測(cè),參數(shù)修改,完善錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。然后根據(jù)礦壓信息,不斷修正設(shè)計(jì),以達(dá)到參數(shù)的最優(yōu)化。同時(shí)對(duì)支護(hù)后的巷道頂板進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),預(yù)測(cè)頂板危險(xiǎn)區(qū)域,采取措施,消除安全隱患。

2 工程實(shí)例

2.1 24506切眼概述及巖層特性

24506工作面位于澄合二礦二水平四采區(qū)中部,四周均為實(shí)區(qū),東距礦界144 m,西與四采區(qū)各大巷、軌道上山、帶式輸送機(jī)上山相通。工作面走向長度為633 m,傾向長度為149 m。24506工作面煤層頂?shù)装鍘r性及強(qiáng)度特性見表1。

表1 24506煤層頂?shù)装鍘r性及強(qiáng)度特性

2.2 24506大跨度切眼巷道初步設(shè)計(jì)

圖1 切眼支護(hù)方案

根據(jù)24506大跨度切眼巷道的巖層物理力學(xué)參數(shù)和實(shí)際的地質(zhì)情況,應(yīng)用理論計(jì)算及分析,采用工程類比法和理論計(jì)算相結(jié)合的方法,支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下,具體的支護(hù)形式見圖1。

開切眼沿頂板掘進(jìn),切眼長度為102 m,全部為錨網(wǎng)索梁支護(hù)形式,巷道斷面形狀為矩形,尺寸6.6 m ×3.2 m(寬 ×高)。

頂部支護(hù)時(shí)每個(gè)斷面使用10根DQM 20mm×2200mm等強(qiáng)高效錨桿,錨桿間排距800mm×800mm,掛菱形鐵絲網(wǎng),沿巷道方向頂部每2.4 m打一排錨索,錨索規(guī)格?17.8mm×6000mm,間距1.6m,每排4根。

幫部支護(hù)使用DQM 20mm×2000mm等強(qiáng)高效錨桿,間排距800mm×800mm,掛鐵絲網(wǎng),東西幫部每排各4根。切眼中部采用3.3 m工字鋼點(diǎn)柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),頂部用800mmπ梁接頂,點(diǎn)柱間距為800mm,掘擴(kuò)切眼時(shí),必須超前10 m進(jìn)行點(diǎn)柱支護(hù)。

2.3 FLAC數(shù)值模擬分析

根據(jù)24506切眼地層及水文地質(zhì)綜合柱狀圖,用FLAC計(jì)算軟件分別建立巷道模型。

因巷道的開挖僅對(duì)距巷道中心點(diǎn)3～5倍開挖半徑范圍內(nèi)的煤巖層影響較大,所以確定模型寬50 m,高30 m,圍巖及煤層變形破壞都采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。模型范圍內(nèi)圍巖共4層,主要為粉砂巖、沙質(zhì)泥巖、泥巖和煤,模型按實(shí)際圍巖分布建立,圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

計(jì)算地面以下400 m處的初始應(yīng)力值,將此值加到模型上。施加位移邊界條件,模型上邊界X方向位移固定約束,Y方向自由;下邊界X方向固定,Y方向自由。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬結(jié)果見圖2和圖3,錨桿(索)支護(hù)后巷道頂板最終沉降量為42mm,底臌量較小;水平方向的兩幫移近量為35mm,巷道的豎向變形量和水平變形量均在可控和安全的范圍內(nèi)。通過數(shù)值模擬結(jié)果分析,可以初步確定錨桿(索)支護(hù)參數(shù)選取的合理性。

2.4 24506巷道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

對(duì)工作面試驗(yàn)段,每30～50 m設(shè)置綜合礦壓監(jiān)測(cè)站1個(gè),觀測(cè)頂板的變形量。在24506切眼巷道圍巖深部共進(jìn)行4個(gè)測(cè)站的全過程監(jiān)測(cè),每40 m布置一個(gè)觀測(cè)站,采用九點(diǎn)頂板離層位移計(jì)進(jìn)行頂板離層監(jiān)測(cè),觀測(cè)巷道長度155 m,數(shù)據(jù)分析見圖4、圖5、圖6和圖7。

經(jīng)過對(duì)24506切眼巷道4個(gè)監(jiān)測(cè)站長達(dá)4個(gè)月的實(shí)時(shí)監(jiān)控得出,該支護(hù)形式下頂板的最大變形量為52mm,日最大沉降速率為18mm/d,平均沉降速率都不超過0.5mm/d,變形量都符合巷道支護(hù)變形設(shè)計(jì)要求,均在允許的范圍之內(nèi),通過這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以看出,24506煤層巷道切眼巷錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案是安全可行的,針對(duì)這種大跨度切眼模擬設(shè)計(jì),可以根據(jù)實(shí)際的情況對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 4號(hào)點(diǎn)頂板沉降量

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

通過數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)巷道的監(jiān)測(cè),對(duì)復(fù)合頂板大跨度切眼錨網(wǎng)索支護(hù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)方案如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后切眼支護(hù)方案

(1)東西兩部分錨桿索布置方式調(diào)整。將原來的錨桿索單線型布置改成東西兩部分交叉布置,這樣有利于頂部復(fù)合頂板形成一個(gè)整體組合,受力更加均勻。

(2)調(diào)整頂錨桿。根據(jù)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)頂板位移,頂板變形量和兩幫位移量較小,穩(wěn)定性較好時(shí),可將頂部錨桿減少1根。

(3)調(diào)整錨索。初期為了使煤層巷道安全有保證,錨索設(shè)計(jì)為矩形布置,根據(jù)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)頂板位移及實(shí)際檢測(cè)結(jié)果,頂板下沉不大時(shí),錨索間排距可適當(dāng)優(yōu)化,數(shù)量減少1根。

(4)錨索托板采用長1.0 m,孔徑?19mm的工字鋼。施工時(shí)工字鋼壓住兩邊的“M”型鋼帶,見圖8(a)。

4 結(jié)論

復(fù)合頂板大跨度切眼采用錨網(wǎng)索支護(hù),能有效地控制圍巖的變形。復(fù)合頂板大跨度切眼支護(hù)的成功實(shí)施,保證了綜掘機(jī)一次性轉(zhuǎn)彎成功,可使綜采支架整架運(yùn)輸、采煤機(jī)各部件整體運(yùn)輸,并一次性安裝到位,為增大采高,提高煤炭回收率創(chuàng)造了有利條件。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Applications and studies of anchor(cables)supporting technology in large span cut of composite roof

Wang Haining1,Yang Yunlong1,Xi Jiami2,Chen Xinnian2,Tian Junfeng2
(1.The Second Mine Company of Chenghe Mining Co.,Ltd.,Weinan,Shaanxi 715208,China;2.College of Architecture and Civil Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxi 710054,China)

With the engineering background of Chenghe second coalmine 24506 long-span cut cross-section bolt support project,by combining of the theoretical calculation,the numerical analysis and the practical monitoring,the supporting technical research and analysis of site support monitoring in large span cut of composite roof are carried out,reasonable supporting parameters in large span cut of composite roof are obtained,experiences and references are provided for the future design of similar roadway.

composite roof,large span cut,anchor(cables)supporting,support parameters

TD355

B

王海寧(1965-),男,高級(jí)工程師,澄合礦業(yè)二礦公司總工程師。主要從事煤礦開采技術(shù)研究和管理工作。