地应力在锚杆支护设计中的应用.pdf

文章编 号1003- 5923200401- 0013- 02 地 应 力 在 锚 杆 支 护 设 计 中 的 应 用 樊荣金 潞安 环能 股份有 限公 司 王庄煤 矿,山西 长 治 046031 摘 要地应力是锚杆支护设计的基础,为此,王庄矿对主要采区的地应力进行了测试,并以地应力为基 础进行锚杆支护设计,不仅有效地保证了巷道安全,而且取得了良好的经济效益。 关键词地应力;锚杆支护设计 中图分类号T D 311 文献标识码B 1 前言 锚杆支护在煤矿巷道中的应用越来越广泛,在 国外主要产煤国家,已经形成系统的、 先进的锚杆 支护成套技术,给整个矿井带来巨大的效益。 其中, 以地应力测试结果作为最主要参数,进行计算机数 值模拟的设计方法来进行锚杆支护设计。 而在我国 煤矿开展地应力测试,并利用巷道围岩主应力的大 小和方向进行锚杆支护设计尚不普遍。 随着矿井采深增加,巷道支护难度加大,巷道 支护成了制约矿井高产高效建设的关键。为此,王 庄矿与中国矿业大学合作,对王庄煤矿的地应力进 行了现场实测,从而为回采巷道锚杆支护技术的广 泛应用奠定了坚实的、 可靠的科学基础。 2 地应力测试结果 王庄煤矿在 1998 年 9 月完成了 51 下山盘区 5109 面段及 61 南翼盘区6108 区段车场这两 个钻孔的测试工作,采用的测量方法是空心包体类 三维应力测量。 2.1 测点的地质情况 1 61 南翼盘区 测点位于 6108 面,该面两侧均为采空区北为 6107,南为 6109,东为 61 南翼轨道和胶带下山, 西为常村矿煤柱,主采下二迭系山西组 3 煤,煤层 倾角 3～10 ,煤层稳定,为一基本向西倾斜的单斜 构造,煤厚 6.5～7.1 m。 钻口座标{ x 4024776.560、 y 410437.650、 z 673.400} ,钻孔倾角20 ,钻孔方位角260 ,与 巷道夹角68 ,开孔及基础孔始终以 Φ 130 mm 钻 头钻进,取芯良好,其岩石质量指标 RQD≥90 。 2 51 下山盘区 测点位于 5109 面,东西 两侧分别为 5108 及 5110 采空区,南接 51 胶带下山,北为实煤体。工作 面煤层为一向西倾斜的单斜构造,局部略有起伏, 同轨道及胶带下山斜交 20 ,开采 3 煤层,煤层中 硬,煤层底板为泥岩,顶板泥岩较厚,平均 4.35 m, 呈黑灰色,且完整,但揭露后易风化,遇水崩解。 钻口坐标{ x 4027058.01、 y 410000.810、 z 640.720} ,钻孔仰角 20 ,钻孔方位角 313 ,与巷 道夹角 43 ,其中,基础孔始终以 Φ 130 mm钻头钻 进,取芯良好,其岩石质量指标 RQD 100。 2.2 测试结果 通过对测试数据、 所取岩芯力学参数分析、 计 算,得到 2 个测点的地应力测试结果见表 1。 表 1 测试结果 测点位 置 距 地表 深度/m 主应 力/M P a P1/P2/P3 主应 力方向 夹 角/ VWN 51 下 山 盘区 305 9.34 7.11 5.16 18.00 76.89 102.12 79.32 82.83 12.91 104y.32 15.01 94.40 61 南 翼 盘区 272 8.50 6.51 1.42 25.68 104.57 110.67 64.96 46.65 53.75 95e.37 46.98 136.48 2.3 测试结果分析 从测试结果可知,2 个测点的地应力具有以下 特征 1 最大主应力接近于铅垂方向,表明这两个 地点的水平构造应力不突出。 收 稿日 期2003- 03- 14 作 者简 介U樊荣金 1966 ,工程 师,1988 年 毕业 于焦作 工学 院,现从事 煤矿 技术管 理工 作。 31矿山 压力与 顶板管 理 2004.№ 1 2 最大主应力均大于自重应力γ H ,且 σ2、 σ3 在近水平方向,6108 测点 σ 2与 X 轴东西方向的 夹角近似 45 ,与工作面平巷斜交,这使得巷道侧 帮的水平应力较大,这在锚杆支护设计中应予以充 分重视。 5109 测点水平应力方向与平巷的夹角小, 近似于巷道轴向,对巷道支护影响不显著。 3 两测点的两个水平应力有一定差值,尤其 是 6108 测点两水平应力差值较大,两个近水平方 向的主应力分别为 6.51 M Pa 和 1.42 M Pa ,其差 值引起的剪应力达 2.5 M Pa ,这将给巷道维护带来 较大困难,这在锚杆支护设计与施工中应充分重 视。 4 从现场取样看,顶板泥岩致密、 较完整,但 泥岩顶板遇水略膨胀、 崩解,弱面及断口观察清晰, 岩芯完整性好,这种现象应在支护设计与施工中充 分注意。 掘巷时,应针对此情况,选取合适的锚杆支 护强度和支护方式。 3 地应力在支护设计中的应用 1 主应力对巷道围岩稳定性的影响 由于原岩主应力具有明显的方向性,因而它对 巷道布置有重要影响。 最大水平主应力方向对巷道 稳定性具有以下影响 ① 最大水平主应力方向与巷道轴向平行时, 巷道受水平主应力的影响最小,对顶底板的稳定最 有利; ② 最大水平主应力方向与巷道轴向垂直时, 巷道受水平主应力的影响最大,对巷道稳定最不 利; ③ 最大水平主应力方向与巷道轴向成一定角 度斜交时,巷道一侧出现应力集中而另一侧出现应 力较低,故顶底板的变形会偏向巷道一侧。 因此,原岩应力的方向对巷道变形与破坏有很 大影响,在采区布置及巷道锚杆支护参数设计时要 考虑最大水平主应力的作用。 2 应用 应用地应力测试结果,以计算机数值模拟进行 初始设计,根据锚杆支护与围岩稳定监测的信息、 修 改 完善 的 锚杆 支 护动 态 系统 设 计方 法,确 定 6108 综放面风巷锚杆支护参数,见图 1。 图 1 锚杆布置图 两帮、 顶煤均采用高强度螺纹钢锚杆,实体煤 帮 4 根, 窄 煤 柱 帮 5 根; 顶 煤 4 根, 锚 杆 排 距 900 mm;同时为了加强顶板支护强度,每隔 3 排锚 杆2700 mm加打一根锚索。帮、 顶均铺设金属网 及钢筋梯子梁,该面已顺利回采。 为更好地推广风巷锚杆支护的成功经验,又对 王庄矿 52 盘区及 43 三下山盘区均为主采盘区 的地应力进行了实测,运用其实测结果设计、 施工 的 43 三下山盘区的 4329、 4328 面以及 52 盘区的 5201、 5207 面均为锚杆支护巷道,都实现了顺利回 采或正在顺利回采,取得很好的经济和社会效益。 现 5208 及 4331 面均按设计的全锚支护施工完毕。 4 结语 地应力的大小和方向在巷道锚杆支护设计中 是重要的参数,目前在王庄煤矿锚杆支护巷道设计 和施工中得到普遍应用,并取得技术经济效益。 参考文献 [1] 侯 朝炯 ,郭励 生,勾攀 峰.煤 巷锚 杆支 护[M ].徐 州中 国 矿业 大 学出 版社,1999.12～16. 上接第 12 页 企业技术中心与支护材料生产厂共同承担新型支 护材料的研制开发,并在矿井试验推广,而技术中 心同时对各生产矿井提供各类巷道的锚网支护设 计服务,使科技成果迅速在生产现场转变为先进生 产力,取得最佳经济和社会效益。 参考文献 [1] Z.T .比尼 斯基.矿业 工程 岩层控 制 [M ].徐 州中 国矿 业大 学 出版社 ,1990. [2] 陈 荣,彭 伟东 .砂 固 结预 应 力锚 杆 的试 验 及数 值 模拟 [J] .岩 土工程 学报 ,2000,193330- 334. [3] 陆 士良 ,汤 雷 .锚 固 支 护 技 术 研究 [M].北 京煤 炭 工 业 出 版 社,1999. [4] 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,1994. [5] 董 方庭 .巷道 围岩 松动 圈支 护理 论及 应 用技 术[M ].北 京煤 炭工业 出版 社,2000. 41 2004.№ 1 矿山 压力与 顶板 管理