动压巷道锚杆条带碹支护技术研究与应用_刘文伟.pdf

动压巷道锚杆条带碹支护技术研究与应用 刘 文 伟 （山西新元煤炭有限责任公司 ，山西 晋中 030600 ） 摘要 针对强烈动压造成巷道大变形、 强破坏的技术难题， 以阳煤新元煤矿 9 号煤辅运大巷为工程 实例， 从工程布局上分析巷道矿压显现特征， 为缓解原支护中存在的技术缺陷， 提出锚杆条带碹支护 的巷道支护理念， 运用先柔后刚、 刚柔并举、 抗让结合的原则， 巷道初期支护采用 “锚网喷” 联合支护， 后期支护采用柔模混凝土碹体支护。 工程实践表明 采用锚杆条带碹支护， 有利于锚索预应力的扩散， 围岩的整体承载能力得到极大增强， 巷道围岩变形量明显减小， 表明锚杆条带碹支护方案对动压影响 下巷道围岩控制有较好的效果。 关键词 动压影响 ； 柔模 ； 联合支护 ； 条带碹 ； 破坏机理 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0145- 03 Research and application of support technology of anchor and Strip and crown and failure mechanism of surrounding rock influenced by dynamic pressure LIU Wenwei （Shanxi Xinyuan Coal Co., Ltd. , Jinzhong 030600 , China ） Abstract In order toovercome the support difficultyofroadwaysevere deation and severe destruction in soft and muddingroadway, tak- ing Auxiliary transport roadway ofno.9 coal seam in Xinyuan coal mine , Yangquan city, the strata pressure behaviors characteristics of road- way were analyzed by means of theoretical analysis, In order to alleviate the technical defects existing in the original roadway support, the roadway support concept with anchoring crown was put forward, and the principles of soft and then rigid, combining rigid and soft, and com- bining resistance and crown were applied .Through the field experiment and observation, Under the influence of dynamic pressure, roadway surroundingrock under the influence ofanchoringcrown support scheme can be effectivelycontrolled. Key words dynamical pressure impact ； flexible- work ； Combined support ； Steel Strip and crown； failure mechanism 1工程概况 1.19 号煤辅运大巷地质概况 阳煤集团新元矿 9 号煤层辅运大巷位于南燕 竹以南， 冀家垴以西， 韩庄以北， 兰垴村、 宋家湾以 东， 其上部为 3 号煤层 （现已采空） 。由井下钻孔揭 露情况来看， 由于 9 号煤层与 8 下号煤层相距较近 且多数区域发生合并， 因此合并为 9 号煤层进行开 采， 其厚度为 4.2～6.2m 之间， 均厚 5.2m， 煤层间含 有夹矸 2 层。煤层上覆顶板主要为泥岩及砂质泥岩 互层， 煤层底板主要为泥岩及砂质泥岩互层、 局部 区域为粉砂岩。 1.2支护现状及存在问题 9 号煤辅运大巷原设计支护横断面见图 1。 由图 1 可知， 9 号煤层辅运大巷采用矩形断面， 其掘进宽度为 5600mm、 掘进高度为 4500mm， 采用 锚杆锚索联合支护方式， 属于大断面巷道。该巷道 所处区域水平应力相对较高，在高应力作用下， 巷 道围岩出现严重变形，顶底板及两帮均变形较大， 局部区域两帮累计水平位移量可达到 1800mm， 顶 底离层变形量可达到 500mm， 已经无法满足正常生 产需求使用。在期使用年限内已进行多次整修， 整 修巷道浪费大量人力物力，不仅增加开采成本， 同 时对 9 号煤层的正常采掘活动影响巨大。 （a） 断面图（b） 平面图 图 19 号煤辅运大巷支护示意图 2锚杆条带碹支护机理与技术 2.1锚杆条带碹支护机理 针对 9 号煤辅运大巷原有支护设计及补强支 护无法满足要求的现状， 项目组提出了锚杆条带碹 支护的支护方案。 混凝土砌碹支护具有支护强度高、 服务年限长 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 145 ChaoXing 等优点，但是传统混凝土砌碹支护需要制作碹胎， 以固定混凝土模板， 碹胎不仅施工复杂， 施工速度 慢， 而且占用了巷道空间， 影响巷道正常掘进或使 用。西安科技大学王晓利教授发明了一次性可弯曲 柔性模板， 不仅简化了模板固定工艺， 而且实现了 锚杆 - 混凝土碹联合支护， 其作用机理如下 1） 通过锚杆将柔模混凝土碹体与围岩组合为整 体， 碹体与围岩充分耦合， 构建锚杆与混凝土碹体联 合支护结构， 充分发挥二者的优势， 如图 2 所示。 图 2锚杆条带碹支护结构 2） 锚杆改变了碹体的支承方式， 显著提高了碹 体的稳定性， 并对其施加了径向作用力， 减少了碹 体环向应力， 同等支护强度下碹体厚度可减少 15 ～20， 为降低碹体厚度、 混凝土强度等级和施工难 度提供了理论依据。 3） 碹体将单个锚杆组合在一起， 均衡了各锚杆 受力， 充分发挥了锚杆的群体支护作用， 提高了锚 杆的支护效果， 并对锚杆施加横向支护力， 支护围 岩免压区， 有效控制围岩变形破坏。 4） 采用柔模替代了刚性模板， 并发明了锚杆悬 吊混凝土模板技术， 增加了巷道施工空间， 实现了 掘进与支护平行作业，比传统混凝土砌碹速度快 3 倍以上。 2.2锚杆条带碹支护技术 锚杆条带碹的核心支护理念为先柔后刚、 刚 柔并举、 抗让结合， 即对巷道的支护分为两个阶段 进行， 第一阶段支护在巷道开外初期， 全断面采用 “锚网喷” 支护， 在初期支护完成后进行第二阶段柔 模混凝土碹体支护。 2.2.1初期支护设计 1） 锚杆支护参数。锚杆选用直径为 22mm、 长度 为 2400mm 的左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，其极 限拉断力为 255kN，采用全断面垂直于巷道断面布 置方式，间排距为 800800mm，每排共计布置 21 根锚杆。 锚杆安装预紧力再 400～500N m 之间， 每根 锚杆配合 MSK2335 型和 MSZ2360 型树脂锚固剂各 一支。锚杆辅助支护材料为 W 钢护板及穹形托板， W 钢带为矩形断面，其长、宽、高分别为 460mm、 300mm、 4mm； 托盘为 150mm 正方形断面， 其厚度为 36mm， 其极限承载能力要大于锚杆尾部螺纹的极限 抗拉强度。巷道断面所使用的钢筋网选用直径为 6.5mm 的圆钢， 编织为 100mm 的矩形孔， 网片长度 为 5000mm、 宽度为 1000mm。 2） 喷射混凝土支护参数。在对巷道全断面锚杆 支护完成后，沿巷道围岩表面进行混凝土喷浆工 作， 选用 C20 混凝土， 喷层厚度不低于 100mm， 喷射 混凝土不仅可将处理巷道欠挖区域， 使巷道表面平 整， 同时可以使巷道围岩应力分布均匀， 提高巷道 围岩的稳定性， 为碹体支护进行初期铺垫。 2.2.2后期柔模混凝土碹体支护设计 初期支护完成后，进行柔模混凝土碹体支护， 条带碹体浇筑位置为相邻两排锚杆间， 碹体宽度为 1600mm、厚度为 250mm，相邻两组碹体间距为 800mm 作卸压使用。巷道底板混凝土浇筑厚度不小 于 500mm，以满足柔模混凝土碹体不小于 500mm 的插底要求， 巷道内侧碹体及底板混凝土共同作用 对巷道围岩起到支撑作用。 2.2.3柔性模板固定技术 柔性模板采用三维纺织结构， 待巷道初次锚网 喷支护完成后进行挂模作业， 通过周边打设的锚杆 将其固定， 随后在其中注入混凝土， 带混凝土凝固 稳定后， 最终形成锚杆条带碹支护结构体。 锚杆选用直径为 20mm、长度为 1400mm 的左 旋无纵筋高强螺纹钢锚杆， 间排距为 800800mm， 全断面垂直于巷道围岩打设锚杆共计 22 根，杆体 伸入围岩 1000mm， 杆体外露 400mm。 由于初期支护 时已进行了锚杆支护， 为了防止该锚杆打设过程中 遇到锚杆 （索） 托板， 造成该锚杆无法施工， 要求该 锚杆与初期支护锚杆的横纵向位置各错开 400mm。 每根锚杆使用 1 支 Z2360 型锚固剂加长锚固。柔模 混凝土碹体浇筑成型并养护 28d 后， 给锚杆施加预 紧力矩， 预紧力矩不小于 150N.m。锚杆配合 150 15036mm 的穹形托板共同使用， 钢材强度不低于 Q235。 钢筋网 柔模混凝土碹体表面铺设 Φ8mm 圆钢 焊接而成的钢筋网， 网片宽度宜为 1700mm， 每张网 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 146 ChaoXing 片长度一般为 4400mm，网孔规格为 100100mm； 网片搭接长度不应小于 100mm，并采用 10 号铁丝 双丝双扣， 孔孔相联。 钢筋梯子梁每排锚杆采用 Φ12mm 圆钢焊接 而成的钢筋梯进行环向组合， 钢筋梯宽度为 80mm； 在布设锚杆处焊接卡栏， 卡栏间距为 800mm， 锚杆 需安装在卡栏内。锚杆条带碹支护横断面见图 3。 2.2.4仰拱支护设计 条带碹体为环形结构， 为使其整体受力状态更 好， 同时方便无轨胶轮车在井下的运行， 对巷道底 板进行混凝土仰拱浇筑工作，选用 C30 混凝土， 仰 拱浇筑形状为弧形，靠近巷道底角侧浇筑厚度为 500mm， 底板中心处浇筑厚度为 1000mm。 图 3锚杆条带碹支护横断面 3现场工业性试验效果 （a） 两帮移近量曲线（b） 顶底板移近量曲线 图 4巷道围岩变形曲线 对 9 号煤辅运大巷采用锚杆条带碹方案返修支 护后， 对巷道围岩顶底板即两帮变形进行监测， 绘制 如图 4 所示的巷道围岩变形曲线。由图可知， 不论是 巷道两帮还是顶底板围岩变形主要出现在巷道返修 支护后的初期，即巷道支护后的 10～20d 范围内， 此 后巷道围岩变形趋于缓慢直至最终稳定， 巷道围岩变 形稳定后， 两帮累计移近量为 24mm， 顶底板累移近 量为 22mm， 巷道返修支护后较使用原支护方案的回 风石门段相比较， 巷道顶底板及两帮围岩变形量均得 到大幅减小， 表明该方法可以有效缓解巷道围岩的应 力环境， 巷道围岩的整体性及稳定性得到提升， 为锚 杆及锚索提供稳定着力点， 锚固强度得到提高， 有效 控制了巷道围岩的变形。 4结论 1） 针对新元矿 9 号煤辅运大巷围岩破碎需多 次返修支护现状， 采用锚杆条带碹支护理念返修支 护的巷道， 巷道初期支护采用 “锚网喷” 联合支护， 后期支护采用柔模混凝土碹体支护， 锚固区破碎围 岩得到有效固结， 使锚索预应力有效扩散， 进而有 效发挥锚索的主动支护作用。通过现场试验与观 测， 在采动影响下巷道围岩变形量明显减小， 围岩 承载能力得到充分发挥， 表明该种形式的支护技术 对动压影响巷道有较好的支护效果。 2）锚杆条带碹支护作为一个整体结构， 在锚索 结构补偿力作用下，支架被束缚在有限的变形空 间， 而其余大变形通过柔模混凝土碹体释放， 实现 了锚杆条带碹支护高阻可缩的特性。 参考文献 [1] 陈炎光， 陆士良．中国煤矿巷道围岩控制 ［M ］ ．徐州中 国矿业大学出版社， 1994206 － 208. 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