应用松动圈理论进行全煤巷道锚杆支护.pdf

2 东 瞧 晨 技 2 0 0 0 年 第1 期 r D 3 5 3 应用松动圈理论进行全煤巷道锚杆支护 兖矿集团 公司 技术中心 苗素军 蒋敬平 摘 要 本文研究了全煤巷道稳定性、 全煤巷道锚杆支护设计原则。介绍了南屯、 济二、 杨庄 煤矿应用松动圈理论进行全煤巷锚杆支护设计方法、 施工中 采取的技术措施， 取得的效果。 关键词 全煤巷道 锚杆支护 松动圈 围 岩 1 课题的提出 煤巷锚杆支护具有支护性能好、 工艺简 单、 节省材料、 易于实现机械化等特点， 目 前 在国内 外已得到普遍应用。在美国、 澳大利 亚的矿井煤巷支护中， 锚杆支护占9 0 ％以 上。我国近几年来对煤巷锚杆支护技术的研 究取得了一定的成绩， 现 I 、 Ⅱ、 Ⅲ 类煤层巷 道锚杆支护技术已日 渐完善， 处于推广应用 阶段， Ⅳ、 V类煤层巷道及动压巷道锚杆支护 技术正处于研究和试验阶段。但我国 煤巷锚 杆支护存在不少问题， 其中之一是没有真正 建立起符合煤巷特点的支护理论和设计方 法， 对于全煤巷道锚杆支护的作用、 设计方法 以及破坏机理仍缺乏系统的 研究。 2 巷道围岩松动圈 巷道开挖后， 围岩应力进行调整， 当集中 的切向应力超过岩体强度极限时， 巷道周边 岩体首先破坏， 产生裂隙， 并向巷道空间收敛 图由于司镜员、 绘图员以及清绘人员疏忽大 意或由于劳累造成精力不集中而带来的粗 差， 使图纸测绘大大降低了主观性程度， 具有 较高的客观性， 从而有效地降低了图纸的粗 差率， 这对于以后的煤矿生产在提高业务保 安能力和降低技术事故发生率方面都将起到 很好的 作用。 3 ． 3 自 动化程度高 便于利用和管理 地形图数据以文件形式存储， 调用快捷 方便、 准确可靠。如由于工程需要调用局部 地形状况或需要某一点坐标等， 可用计算机 随时调出， 随时打印， 方便灵活， 准确无误。 如需在地形图上策划工程设计， 可以直接在 计算机显示器上设计与修改， 实现人机对话， 确定后即可打印输出， 迅速可靠。 图纸管理和更新高效率、 低投入。济西 井田 开工建设后， 工业广场逐步规划建设， 井 田内地物地貌随时间的推移逐步发生变化， 地形图也要随之更新， 如用传统的白纸测图， 需重新测绘， 而用数字化测图， 只需野外采集 相关数据， 更改原址内容即可完成， 实现了 数 据根据需要多次采集、 永久混合使用的目的。 4 体会与建议 1 济西井田数字化地形图测绘技术应 用是矿山测绘引用当前高科技测绘技术的一 次有益尝试， 显示了数字化测绘新工艺的技 术优势， 省去了传统白纸测图的绘图工艺环 节， 改善了劳动条件， 提高了工作效率， 且成 图精度高， 精差率低， 便于利用、 管理和更新。 2 建议有关测绘管理部门， 随着数字化 成图 技术的迅速发展， 有必要对数字化测绘 技术的 工艺模式、 技术指标、 质量控制等加以 规范， 使之更好地向数字化成图方向发展， 以 适应测绘生产发展的需要。 维普资讯 一 ● 茑 e ● 2 0 0 0 年 第1 期 童 蒺 舛 }支 3 变形， 其力学特性随之变化， 表现特征为岩体 的粘结力 C 和内摩擦角 ‘ D 值的下降， 这部 分围岩成为应力降低区。此时， 集中的高应 力向岩体深部转移， 使岩体呈渐进式破坏， 直 到集中应力小于或等于岩体强度时， 破坏才 会停止， 达到新的平稳状态。这样， 就在巷道 周围一定范围内形成围岩破裂带， 即所谓的 围岩松动圈。 3 锚杆支护机理 根据松动圈支护理论， 对于小松动圈巷 道采用裸体或只喷混凝土防危石掉落即可； 对于中松动圈巷道可采用悬吊 理论进行锚杆 支护设计； 对于大松动圈巷道采用组合拱理 论进行锚杆支护设计。 对中松动圈围岩支护参数式计算 L I JP L l 1 式中 卜 锚杆长度， m ； I J p 一围岩松动圈厚度， m； L 一锚杆锚入松动圈以外稳定围 岩的深度， 一般为0 ． 3 0 ． 4 m ； 一 锚杆外露长度， 一般0 ． 1 m 。 锚杆间排距 2 式中 K _安全系数， 一般根据巷道重要 程度及服务年限可取K 2 3 ； 杆设计锚固力； 广 围岩的重力密度； 当松动圈大于1 5 0 c m时， 属于大松动圈。 锚杆长度及间排距计算 b 3 t g a 式中 组合拱厚度， m ； l锚杆有效程度， m ； 杆在围岩裂隙中的控制角， 度； a 锚杆间排距， m ； 锚杆控制角若按4 5 。 计算， 对破裂围岩较 为安全， 则 b L a 4 由以上可知 给定一组 L 和 a ， 就能得到 一 组b 值， 方程式有任意多解。要根据围岩 的特点， 通过调整锚杆长度和锚杆密度来选 择合理的参数。 4 全煤巷道锚杆支护设计原则 4 ． 1 围岩与支护共同承载原则 由于巷道围岩具有一定的自 承及承载能 力， 采取及时有效的支护手段以保证巷道围 岩的稳定性和整体性， 尤其顶煤稳定性， 从而 使支护与锚杆结合起来， 形成一个承载整体 结构， 共同支承载荷。在保证巷道稳定性的 同时， 应使支护费用降低。 4 ． 2 巷道变形控制原则 为充分发挥围岩的支承能力， 应允许巷 道围岩产生一定量的位移和变形， 但围岩过 度的位移和变形会导致其自身结构的破坏， 使巷道周边的围岩丧失自承能力， 巷道围岩 强度降低， 从而增加了因巷道变形产生的支 护载荷。因此在保持巷道围岩完整的情况 下， 巷道必须及时支护而且要具有一定的柔 性和较高的初撑力。 4 ． 3 静压作用支护原则 当全煤巷道受到采面的动压影响时， 因 工作面前方支承压力明显作用范围不大 一 般 1 5 3 0 m ， 作用时间不长 一般5 1 0 d ， 巷道采用针对采动影响时的支护形式， 在技 术上和经济上是不合理的。合理的支护设计 应根据巷道受静压作用时巷道松动圈的大小 确定巷道的支护形式和支护参数， 作为巷道 的基本支护； 当巷道受到回采工作面支承压 力影响时， 应及时架设临时支护， 提高巷道支 护结构的承载能力， 保持巷道的稳定性。 5 工程试验 南屯、 济二煤矿开采3 煤采用放顶煤采 维普资讯 4 瞧 晨 纠 枝 2 0 0 0 年 第1 期 煤法， 工作面巷道属全煤巷道， 巷道原设计采 用矿工钢架棚支护， 通过对巷道围岩松动圈 的观测研究， 对其进行了 锚杆支护试验。 5 ． 1 巷道松动圈测试结果 采用B A 一Ⅱ 型围岩松动圈测试仪和瑞 利波探测仪。测得各矿的松动圈值见表1 。 表 1 松动圈值 松动圈平均值 最大值 矿名 测试地点 c r n c m 南屯 煤矿 1 3 0 4 面下顺 l 0 5 1 1 0 济二煤矿 2 3 0 1 面运输巷 l 2 8 1 5 8 南屯煤矿 1 3 0 4 面下顺槽巷围岩松动 圈属于中松动圈， 可按悬吊理论设计锚杆支 护参数； 济二煤矿2 3 0 1 面运输巷属于大松动 圈， 按组合拱理论设计锚杆支护参数。 5 ． 2 支护参数 见表2 表2 支护参数 矿名 南屯1 3 04下顺 济 二 2 3 0 1 运输巷 巷道形状 矩形 矩形 巷道断面 1 1 ． 6 m 2 l 0 ． 6 4 f n 2 螺纹钢树脂 锚杆类型 快硬水泥金属锚杆 和塑料锚杆 锚杆直 径 1 6 n w a 2 0 ra m 设计锚固力 3 9 ． 2 k N _ 4 9 k N 锚固长度 4 0 0 ra m 顶全锚， 帮塑料 锚头 锚杆设计长度 1 ． 6 m 2 ． 0 m 锚杆实际长度 l ， 8 m 顶2 ． 2 m 。 帮 1 ， 8 m 顶板0 ． 6 m。 两帮间距 设计间排距 0 ，7 m 0 ．9 m排距0 ． 8 m 金属网 1 0 铁缝经纬网 1 0 铁丝经纬网 顶板钢带 梁 钢筋梯 钢筋梯 5 ． 3 主要技术措施 施工质量的好坏， 是锚杆支护的关键。 在施工中主要存在巷道成型差、 托盘不能与 煤壁紧贴、 螺母拧不紧， 达不到设计的初锚 力。在施工中主要采取以下两项技术措施 1 提高锚杆支护的及时性和顶紧力， 2 加 强巷帮的支护。 5 ． 4 支护效果 为了检测锚杆支护的质量和控制围岩效 果， 进行矿压观测， 观测内容主要是巷道收敛 变形、 锚杆受力、 拉拔试验等。 全煤巷道锚杆支护是主动支护， 而传统 的工字钢架棚支护是被动支护。锚杆支护比 工字钢架棚支护控制围 岩效果好。如济二煤 矿采用工字钢架棚支护时顶底板累计移近量 6 0 1 0 0 ra m ， 两帮累计移近量7 0 1 5 0 m m ， 采 用锚杆支护顶底板累计移近量为l l m m ， 两帮 累 计移近量为1 2 ． 5 m m ， 超前支承压力影响范 围由4 8 m减为1 5 m 。 5 ． 6 全煤顺槽锚杆支护技术经济效益 全煤巷道采用锚杆支护与传统的工字钢 架棚支护相比 取得的技术经济效益见表3 。 表3 技术经济效益 矿名 南屯煤矿 济二煤矿 杨庄煤矿 断 面利用率提高 1 7 ％ l 5 ％ l 0 ％ 每千米降 低 钢材 8 4 0 t 钢材 8 4 0 t 钢材 3 3 0 t 辅助运输量 木材 2 0 0 m 3 木材 2 0 0 m 3 木材 2 0 r fl 3 掘进速度提高 4 5 ％ l 0 0 ％ 降低支护成本 5 6 ％ 3 9 ％ 4 5 ． 8 ％ 6 几点认识 南屯、 济二煤矿开采3 煤， 工作面巷道属 全煤巷道， 通过对巷道围岩松动圈的观测研 究， 对其进行了锚杆支护试验。 1 全煤巷道顶煤厚度和强度是影响巷 道稳定性的关键因素。 2 锚杆支护的悬吊 作用、 组合拱作用是 同时存在、 相互影响的。对中小松动圈巷道 悬吊 作用处于主要地位； 对于大松动圈， 巷道 顶板大范围不存在稳定岩层， 组合拱作用处 于主要地位。 3 全煤巷道受到采面的动压影响， 因动 压作用范围不大， 作用时间不长， 支护设计应 根据巷道受静压作用时巷道松动圈的大小确 定巷道的支护形式和支护参数。 4 南屯、 济二煤矿全煤巷道锚杆支护取 得了 很好的技术经济效益， 表明利用松动圈 理论进行全煤巷道锚杆支护是可行的。 维普资讯