急倾斜煤层全煤巷道锚网索支护参数设计.pdf

急倾斜煤层全煤巷道锚网索支护参数设计 常聚才 1 ,谢广祥 1 ,罗 勇 2 ,王 磊 1 1 1安徽理工大学 资源开发与管理系,安徽 淮南 232001; 21中国科学技术大学,安徽 合肥 230027 摘 要在急倾斜煤层锚网索支护全煤巷道中,根据其非对称情况采用非对称设计。研究表明,急 倾斜巷道支护重点是控制巷道的两帮的不稳定性,工程措施应该从控顶护帮向控帮护顶转变。经现 场应用,所设计的支护参数合理,能够较好的控制围岩活动,支护效果良好,为其它类似条件下锚 网索支护参数设计提供了参考。 关键词急倾斜煤层;煤层巷道;锚网索支护;非对称设计 中图分类号TD35316 文献标志码 B 文章编号 0253 - 2336 2007 01 - 0046 - 03 Design on bolt, steelmesh and anchor support parameters for steep inclined seam gateway CHANG Ju2cai 1 , XIE Guang2xiang 1 , LU Yong 2 , WANGLei 1 1.Department of Resources Development and M anagement Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huinan 232001, China; 2.China University of Science and Technology, Hefei 230027, China 急倾斜煤层中的巷道,由于掘巷时顶煤就可能 基本松动,自稳能力已下降。同时由于巷道经常会 遇到局部不稳定顶板及冒顶,容易造成局部应力集 中,支架受力不对称,难以控制巷道围岩变形的急 剧增长,造成顶板和煤帮的严重破裂及支架的大量 折损,支护问题较为严重。本文根据其非对称情况 采用非对称设计,设计成果应用于急倾斜煤层巷道 支护,取得了良好的效果。 1 试验巷道概况 试验巷道为新集三矿- 340 m西五 ～ 西三3煤 运输大巷,该煤较为稳定,厚度不均,平均317 m,煤层倾角平均80,普氏系数f 115。在试验 段, 3煤及岩层发生倒转,其直接底为017 m的泥 岩和厚度约1 m的1煤,基本底为厚度约3182 m 的粉砂岩及砂岩,直接顶为砂质泥岩、细砂岩,平 均厚度约12 m。巷道断面为拱形,巷道上帮侧为 砂质泥岩、细砂岩,巷道下帮侧为泥岩和1煤,顶 部跨度为318 m,拱高119 m,巷帮高112 m。 2 锚网索支护参数设计 211 巷道支护形式确定 采用锚梁网配合锚索加强支护,具体如下 1巷道顶板。因巷顶全为煤,锚杆采用高 强度螺纹钢杆体锚杆,全长树脂锚固,为便于加 工,梁选用2根直径16 mm的钢筋焊接而成的梯 子梁,网为金属网。 2两帮。采用高强锚杆,全长树脂锚固, 杆体材料同顶部锚杆,并配合锚索加强支护;锚杆 之间用钢筋梯子梁连接。 3底板不支护。 212 支护参数设计 21211 顶锚杆长度l 由于巷道顶部为拱形,因此顶部锚杆必须穿透 顶部松动范围,利用松动介质力学方法计算巷道顶 部拱形的松动范围为 b B /2 htan45-/2 f 式中 B 巷道跨度, 318 m; h 巷道高度, 311 m; f 煤的普氏系数, 115; 煤的内摩擦角。 代入计算得b119 m。 考虑锚杆外露长度l1 011 m,锚杆伸入稳定 岩层的长度l2013 m,巷道顶部锚杆的长度l为 l l1 l2 b 213 m 根据锚杆技术规范中的锚杆长度系列,取l 214 m。 64 第35卷第1期 煤 炭 科 学 技 术 2007年1月 21212 帮锚杆长度L 帮锚杆长度可以按下式计算 L l′ l1 l2 l′ 110 f 1102f B -110 B 110 式中,l′为巷帮有效承载区深度, m。 因为巷道上帮为较稳定的砂岩,取l2013 m; 巷道下帮为不稳定软弱泥岩及煤层,取l2018 m。 代入计算得到巷帮锚杆长度为 上帮L1 l′ l1 l21161 m 下帮L2 l′ l1 l22111 m 根据技术规范中的锚杆长度系列,上帮的锚杆 长度取118 m,下帮锚杆长度取214 m。 21213 锚杆间排距D 锚杆的间排距D要保证锚杆的约束强度尽可 能均匀分布,为此考虑围岩的整体性完整系数 I 及锚杆在岩层中作用角取决于f值。按下式 估算间排距的几何平均数Dav Dav 3I 2I 1 2f -1 2f 1 2K 式中,K为锚固方式系数,取K019;I为围岩完 整系数,取0155。 代入得Dav0171 m。根据Dav值,取DDav 018 m。 由于试验巷道为煤顶巷道,故顶、帮锚杆数量 一起确定,每排锚杆根数为 n S /D 式中,S为巷道断面周边长,包括巷顶拱长和两帮 几何长度之和, m。 代入计算得nS /D814 /018≈1015,取11 根/排。 21214 巷道下帮加强锚索参数确定 巷道最不稳定的部位在于巷道下帮,显然加强 锚索主要针对不稳定的下帮,同时还要涉及巷顶部 的稳定性。根据巷道在煤岩层中的布置方式 并参考以往的工程实践经验,锚索布置在巷道下帮 和巷道顶部交接偏下帮的位置。锚索采用直径为 15124 mm、高强度、低松弛Ⅱ 级黏结式17 钢绞线。 1锚固长度。按GBJ86 - 85要求,锚索锚 固长度La应符合下式 La≥k dfs 4fc 式中 k 安全系数,取112; d 锚索钢绞线直径, mm; fs 钢绞线抗拉强度, MPa; fc 锚索与锚固剂的设计粘结强度,树脂 作锚固剂时,取5 MPa。 经计算得La≥1 700 mm,确定锚索锚固长度 为2 m。 2锚索长度。锚索宜锚固在围岩内部较稳 定的岩层中。锚索长度按下式计算 L′ LaLbLcLd 式中 L′ 锚索的总长度, m; Lb 需悬吊的不稳定岩层厚度,取117 m; Lc 上托板及锚具的厚度,一般 ≥011 m; Ld 需要外露的张拉长度,一般 ≥011 m。 经计算,并考虑足够的安全系数,最后确定锚 索长度为5 m。 3锚索支护密度。其计算公式为 N kW /P 式中 N 锚索数目,根/m; P 锚索的最低破断力,kN; W 每米巷道的静压力,kN。 W B∑h∑γ 式中 ∑h 悬吊的岩层厚度, m; ∑ γ 悬吊岩层的平均容重。 代入相应值,得到N≈018根/m。 所以,采用每2排布置1根锚索,替代下帮最 靠近巷道圆拱部分的那根锚杆图1中锚杆3 , 参考以往的工程经验并考虑到现场施工的方便,锚 索的布置与水平方向成20 仰角布置。设计支护参 数如图1所示。 3 支护效果现场监测 将设计的支护参数应用于试验巷道,对巷道顶 底板移近量和两帮移近量进行观测,如图2、图3 所示。由结果可以看出 1巷道在开掘8 d内围岩运动剧烈,巷道两 帮移近速度最大可达7 mm /d,而顶底移近速度相 对两帮较小,顶底最大移近速度可达319 mm /d。 巷道开掘20～30 d后,巷道围岩表面位移速度基 本趋于0,巷道围岩表面变形基本趋于稳定。 2巷道两帮表面变形量远远大于顶底收敛 74 第35卷第1期 煤 炭 科 学 技 术 2007年1月 1～6 下帮锚杆规格 20 mm2 400 mm; 7～11 上帮锚杆规格 18 mm1 800 mm 图1 锚网索支护参数示意 图2 巷道表面位移曲线 图3 巷道表面围岩变形速率曲线 变形量,两帮表面变形量最大可达50 mm,顶底表 面变形量最大可达28 mm。巷道掘进13～20 d巷 道变形量达到最大,巷道掘进25～34 d,巷道表面 变形基本趋于稳定。 现场反馈数据表明,急倾斜煤层巷道采用锚网 索支护是可行的,所设计的不对称支护参数能较好 地控制围岩活动,支护效果良好。因此,在急倾斜 煤层巷道支护中,重点是控制巷道两帮的不稳定 性,工程措施应从控顶护帮向控帮护顶转变。 4 结 论 1急倾斜煤层全煤巷道采用锚网索支护是 可行的,支护设计应根据其非对称情况合理设计支 护参数,重点是控制巷道的两帮的不稳定性,工程 措施应从控顶护帮向控帮护顶转变,设计从刚性支 护向柔性支护改变,改被动支护为主动支护。 2由于急倾斜煤层巷道应力的非对称分布, 支护设计应该呈非对称支护。锚索的位置也应该由 传统观念布置在顶板上,改为布置在巷道稳定性最 差的下帮部。两帮锚杆的长度也应该根据两帮围岩 破碎区范围的不同而不同。 3经工业性应用表明,所设计的支护参数 合理,能够较好地控制围岩活动,支护效果良好, 为其它类似条件下锚网索支护参数设计提供了参 考。 参考文献 [1] 谢广祥,查文华,罗 勇 1新集三矿急倾斜煤层巷道锚网 索支护研究[J ].煤炭科学技术, 2004 12. [2] 杨 科,罗 勇 1急倾斜煤层煤巷锚梁网支护技术[J ].矿 山压力与顶板管理, 2005 4. [3] 侯朝炯,郭励生,勾攀峰,等.煤巷锚杆支护[M ].徐州 中国矿业大学出版社, 1999. [4] 刘长武,陈小强,丁玉乔.放顶煤巷道锚网索支护参数研究 [J ].岩石力学与工程学报, 2004 增 . 作者简介常聚才1979 - ,男,山东临沂人,安徽理工大 学博士研究生,研究方向为煤矿安全开采,主要从事采矿工程方面 的教学与科研工作。Tel 0554 - 6668400 收稿日期 2006 - 08 - 09;责任编辑曾康生 煤炭科技名词的规范使用 回采 coalwinning, coal extraction, coal getting 从采煤工作面采出煤炭的工序。 采煤学 coalmining 研究煤炭开采技术及其内部规律性的学科。 地下开采 underground mining, deep mining 又称 “ 井工开采 ” 。通过开掘井巷采出煤炭或其它矿 产品的工作。 露天开采 surface mining, opencastmining 直接从地表揭露并采出煤炭或其它矿产品的工作。 露天采矿学 surface mining 研究矿床剥离和露天开采技术及其内部规律性的学科。 动力煤 steam coal 适用于锅炉燃烧,产生热力的煤。 待续 84 第35卷第1期 煤 炭 科 学 技 术 2007年1月