连续梁理论在复合顶板巷道中的研究与应用

发表时间:2018/9/17   来源:《基层建设》2018年第22期   作者:郝军志
[导读] 摘要:正阳煤矿一采深部3B#采区为新开拓采区,巷道施工初期采用了锚网索带联合支护方式,施工时实测,巷道变形明显,经多次调整支护形式,仍然满足不了安全生产需要,也证明了原采用的支护手段在复合顶板条件下已不再适用。

        鸡西矿业集团正阳煤矿  黑龙江鸡西  158177
        摘要:正阳煤矿一采深部3B#采区为新开拓采区,巷道施工初期采用了锚网索带联合支护方式,施工时实测,巷道变形明显,经多次调整支护形式,仍然满足不了安全生产需要,也证明了原采用的支护手段在复合顶板条件下已不再适用。为此,利用先进的顶板控制理论解决顶板离层、变形严重的课题至关重要。通过对正阳煤矿101队工作面以顶板连续梁理论为指导、以柔性锚索为关键技术,采用了深埋极易离层复合顶板条件下长锚固的柔性锚索支护的设计方法和支护参数在顶板形成足够厚度的锚固岩梁,基本消除了离层、避免了失稳,实现了本层内、多层间的双向联动。经现场实测,掘进期间,围岩情况得到了改善,取得了显著的技术经济效益。
        关键词:复合顶板;柔性锚索;顶板控制;理论应用
        1.巷道地质条件
        正阳煤矿一采区深部3B#煤层埋深在750-800m之间,平均厚度3.9m,倾角在6-10°之间,直接顶顶板层理发育,上覆伪顶页岩厚0.7m,直接顶页岩厚5.2m,发育有数层煤线和凝灰岩,极易离层,使直接顶形成复合顶板,基本顶细砂岩厚9.4m,属于深部复合顶板煤巷,从上方29#层已开采区域看,区内发育数条断层和褶曲等地质构造,地质条件极其复杂。
        2.支护方案选择
        2.1初始支护设计依据
        结合3B#煤层围岩赋存状况、地质力学评估、围岩控制及锚杆支护理论、观测结果分析,对原有锚网索支护方案综合评价结果为:该方案设计符合3B#煤层围岩控制理论,符合所采用的锚杆支护理论,能够形成较稳定的支护结构体,能有效控制顶板锚固区的围岩变形,选用锚杆种类正确、结构合理、性能稳定、受力状态良好。但存在不足之处,主要表现为:
        1)方案设计依据的原始地质条件发生变化。为准确掌握巷道的实际地质力学状况,进行了两次井下巷道顶底板岩层钻孔取样分析,发现井下实际地质状况和巷道顶底板岩层力学特性与原提供的资料数据不同,特别在矿区西部更为明显,原有支护方案只能适应原地质状况,而不能适应现已发生变化的实际地质状况和巷道顶底板岩层力学特性。
        2)从井下观测结果和对原有支护方案的分析看出,顶板锚固区内、外围岩变形量较大且不稳定,并伴有离层现象,原有支护方案在目前实际地质条件下未形成理想的支护结构体,不能有效地控制围岩的变形和破坏。从顶板离层观测情况看出,发现顶板岩层己产生离层、破碎和错动,局部出现岩层挤压破碎堵孔现象。
        2.2方案比较
        1)锚杆与锚索耦合支护时,迎头附近应力集中程度明显减小,在巷道顶板6 -8m范围内形成了耦合承载区;锚索对顶板进行深部锚固,发挥了悬吊作用;并将形成的组合拱承载结构传递到坚硬顶板中;并且多排锚杆、锚索作用,产生了对顶板的连续支撑点,减缓了顶板下沉。
        2)锚索支护时,掘进头附近应力集中程度明显减小,采用1×7股Φ21.6长8.2m锚索足以将5.2m易离层的直接顶悬吊在上覆坚硬的基本顶细砂岩中,锚索对顶板进行深部锚固,发挥了悬吊作用。其要点在于给锚索施加高水平的预应力以最大程度地利用岩层间的协调变形来保持顶板稳定性。连续梁顶板的存在使得顶板岩层处于三向压缩的状态,避免受高压力的破坏。
        3.依据连续梁理论优化支护方案
        巷道支护设计是巷道支护技术中的非常重要的内容。如果支护方式和支护参数选择不合理,将会对支护效果造成一定影响。因此,支护方式和支护参数的设计选择具有十分重要的意义。
        3.1连续梁理论实质。该理论由中国矿业大学矿业学院院长张农教授提出,连续梁理论指的是巷道顶板可以在垂向、水平两个方向形成连续的梁,在顶板岩石条件简单、岩石坚硬的情况下,巷道宽度上的连续很容易满足,在竖直方向上的连续需要考虑锚杆的支护作用。顶板稳定性很大程度上取决于锚杆预应力的水平,当预应力达到一定水平时,锚杆预紧力有效范围内的顶板离层得到控制。在预应力的作用下锚杆通过补强及协调变形两个作用抑制顶板变形。高预应力锚杆旨在建立连续梁的顶板,以克服高压力造成的顶板失稳,实现顶板刚性梁或似刚性梁,消除拉伸区,同时降低巷道两侧的应力集中系数。与普通锚杆相比,预应力锚索的优越性表现在两方面:一是锚索锚固深度大,能够将下部不稳定岩层锚固到上部稳定岩层中,可靠性大;二是可施加预应力,主动支护围岩,限制岩体有害变形的发展,从而保持围岩的稳定。预紧长锚固技术可以形成高预紧力、厚锚固层的连续梁,预紧长锚索能达到普通锚杆3倍以上的高性能材料,利用它可以实现跨界支护,确保巷道稳定性。
        3.2参数设计
        该巷道为矩形形状,且顶板为层状发育岩体,锚索的预紧力使巷道周边一定范围内的多层岩层压紧联系,形成组合梁,故按照组合梁原理进行支护参数确定。
        1)锚索长度的确定

       
        2)锚索间排距的确定
        按组合梁理论分析设计锚索间排距,所选锚索长度需要验算组合梁各岩层层面间不发生相对滑动,并保证最下面一层岩层的稳定性,即锚索间排距需满足下式要求:

       
        依据以上计算结果,锚索长度不得小于7208mm,设计长度取8200mm,锚索间排距不得大于1180mm,设计间排距1000mmx900mm。具体参数见图:

       
        4.实施效果
        采用顶板离层仪监测离沉量、采用十字测量法监测围岩变形,设置观测点观察移近量和移近速度。距掘进工作而100m之后,顶板、两帮稳定,顶板下沉量20mm左右,两帮移近量100mm左右。
        5.结论
        通过支护方案的多次调整,并在施工期间进行了巷道变形、顶板离层和巷帮收敛等矿压观测资料的整理和分析,并以连续梁理论为依据,采用全锚索的支护手段,使顶板形成足够厚度的锚固岩梁,基本消除了岩层离层、避免失稳,实现了本层内、多层间的双向联动,简化了支护程序、同时有效地控制了巷道围岩变形,形成大加固圈,充分发挥了深部围岩性能,限制浅部变形,达到大小位移联动,加大承载圈的强度和厚度,抵抗应力扰动,保证顶板形成连续梁。
        参考文献:
        [1]鲁喜辉、张农等.高预紧力长锚固技术在葫芦素煤矿的研究与应用[J].煤炭工程,2017,49(12):69-72.
        [2]丛利.深部复杂地质条件下半煤岩巷快速掘进技术[J].煤炭工程,2017(7):45-47
        [3]钱鸣高、石平五、徐家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2010.
        作者简介:郝军志(1971.10一),男,黑龙江省鸡东县人,工程师,现从事掘进技术管理工作,在龙煤集团鸡西矿业公司正阳煤矿工作。

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