细牙锚杆在深部巷道支护中的应用.pdf

煤 5 4 COAL S CI ENCE 炭 科 技 TECHN0L 0GY MAGAZI NE 2 0 1 4 年第 2 期 No ． 2 2 01 4 文章编号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 1 4 0 2 0 0 5 4 0 3 细牙锚杆在深部巷道支护中的应用 程增仁 ， 张德稳 ， 王庆伟 1 ． 山东焱鑫矿用材料加工有 限公 司， 山东 新泰2 7 1 2 0 0 ； 2 ．山东能源新矿集团 技术部 ， 山东 新汶2 7 1 2 1 9 摘要 针对潘西煤矿深部巷道支护的难题， 该矿 以现代锚杆支护理论为设计指导， 选取细牙 锚杆、 锚索进行支护， 在西翼回风井进行现场试验 ， 取得 了良好的支护效果。巷道变形量较小， 巷道稳定速度较快 ， 持续变形得到有效控制。通过该巷道支护应用的成功 ， 验证 了深部高应力 巷道使用细牙锚杆有较好的效果结论， 为其他同类巷道支护设计提供了经验。 关键词 深部开采； 高应力； 锚杆支护 ； 细牙锚杆 中图分类号 T D 3 5 3 ． 6 文献标志码 B 不断加剧 的深部巷道对 支护材料 提出 了新 的 要求 ， 通 过调研新 汶矿 区主要支护形 式与技术 参 数 ， 总结各类锚杆的特点及缺陷， 在此基础上研制 了一种新型螺纹钢树脂锚 杆 细牙锚杆 ， 并选取新 汶矿区大埋深高应力 的潘西煤矿做 了应用试验 ， 取 得成功 。 1 巷道概况 西翼 回风井是为后六采区回风的 ， 设计 长度为 2 3 0 m。巷道按中线方位 2 4 6 。 沿 1 9 煤掘进 。巷道标 高在一 7 2 1 ． 8 -一 6 3 2 ． 6 m之间， 对应地面标高 2 3 2 m， 巷 道埋深 8 6 4 ． 6 - 9 5 3 ． 8 m。掘进 时 自一 7 2 1 ． 8 r n 标高向一 6 3 2 ． 6 m标高平均以2 4 。 上山掘进 ， 采用炮 掘的方式进行 。 该巷道开门处为 1 9 煤及顶板粉砂岩 。1 9 煤厚 1 ． 5～3 ． 2 m， 平均 2 ． 5 m， 局部含夹矸一层 ， 平均厚 度约为0 ． 3 m， 为半亮煤 。顶板为灰色粉砂岩 ， 钙泥 质胶结 ， 层理节理发育 ， 性脆易碎易 冒落 ， 厚 6 ． 5 m， 厂 3～ 4 ； 基本顶为浅一 灰白色中砂岩 ， 坚硬稳 固不易 冒落 ， 厚 1 9 1“13 ，f 6 ； 底板为砂质黏土岩 ， 灰色到褐 色 ， 具有可塑性 ， 遇水膨胀 ， 厚 3 ． 6 m， 厂 3 ～4 ； 基本 底为细砂岩 ， 灰色 ， 坚硬致密 ， 不含水 ， 厚 1 ． 4 m， 厂 6 ～ 8 。其地质综合柱状如图1 所示。 本巷道所处地层为单斜构造 ， 地质构造简单 ， 走 向 1 0 0～1 1 0 。 ， 倾 向 l 0～2 0 。 ， 煤层倾角 2 5～3 0 。 ， 东部 临近 F 3 1 断层 ， 落差 H2 5 ～3 7 m。受 断层影 响 ， 该区段煤 、 岩层产状变化较大 ， 围岩较破碎 ， 对巷道 掘进有一定影响。 统还存在两个不足之处 一 是控制 系统 I ／ O远程分 站虽然实现了通信模块上的冗余 ， 但是各个模拟／ 数 字量模块仍是独立运行的； 二是上位机备份不存在， 系统可靠性还有提升空间。 由于此次系统改造时间短、 任务重， 并且是边生 产边改造 ， 对整个 系统改造的过程特别是现场工程 技术人员的技术水平提出了很高的要求。此外， 由 于控制系统本身的复杂性 ， 涉及到了电气技术 、 P L C 编程、 计算机相关知识等多个业务领域， 在以后的维 护中 ， 建议建立一个涵盖上述专业领域的维护团队， 为系统稳定运行提供技术支撑。 5结论 煤矿 主井带 式输送机 是煤 矿原煤 提升 的“ 咽 喉” 。成庄煤矿通过实施 s 7 4 1 4 H控制系统改造 后 ， 设备开机率稳步提升 ， 系统 自动化及稳定性大幅 度提 高 ， 为矿井 安全高效发 展提供 了坚强 的保障 基础。 作者简 介 刘 楠 1 9 8 7 一 ， 女 ， 山西晋城 人 ， 2 0 0 9 年 毕业于中国防卫科技学院国际经济与贸易专业， 北京天地 龙跃科技有限公司助理工程师。 收 稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 2 2 0 1 4 年第2 期 程 增 仁 等 细 牙 锚 杆 在 深 部 巷 道 支 护 中 的 应 用 5 5 地质 名称 厚度／ m 累度／ m 层 间距／ m 柱状图 岩性描述 时 乎 一 四灰 7 ． 1 8 7 ． 1 8 7 ． 1 8 质较纯 ， 白色方解石脉较多 煤 1 8 O ． 6 5 7 ． 8 3 O ． 6 5 不稳定 粉砂岩 6 ． o 0 1 3 ． 8 3 灰色、 坚硬致密 4 ～5 石 炭 系 中砂岩 l 9 ． 0 0 3 2 ． 8 3 浅灰色中砂岩， 坚硬稳固， 不易冒落， 厚1 9 n l 6 上 3 1 ． 5 O 统 太 原 粉砂岩 6 ． 5 0 3 9 ． 3 3 灰色粉砂岩， 钙泥质胶结 ， 层理节理发育， 性脆易碎易冒落， 厚6 ． 5 r tl ， 组 ， 3～4。临近 F 3 1 断层 ， 受断层 影响 ， 顶板较破碎 ， 9 2 ． 5 0 4l _ 8 9 占夹 什 0 ．1～0． 3m 砂 质 黏 土 3 ． 6 O 4 5 ． 4 9 鲁 塑． 4 性 m ’．遇 水 6 膨- 8胀 厚 3 6 m ． 3 ～ 4 - 1 ．- -4 0 - --4 “6 ．--8 9 Z 8 ． 7 0 3 ． 7 0 5 O ． 5 9 合 灰质结核 五 9气 n 5 3 ． 0 9 驾国社 层 iI 深 翠- _ 万孺 臁 造 粉砂岩 4 ． 5 O 5 7 ． 5 9 8 ．2 5 质或泥质胶结， 层理发育易冒落 厂 3 ～ 4 细砂岩 3 ． 7 5 6 1 ． 3 4 恢色， 黏土胶结 图 1 潘西煤矿 1 9 煤综合柱状图 2 支护参数选取原则 针对西翼回风井具体生产地质条件， 为充分发 挥锚杆、 锚索支护的作用， 提出以下参数选取原则。 1 一次支护原则 。锚杆支护应一次支护 即可 有效控制 围岩变形 ， 避免二次或多次支护。一方 面， 是锚杆支护本身的作用原理决定 的， 巷道 围岩一旦 揭露立即进行锚杆支护效果最佳 ， 在已发生离层 、 破 坏的围岩中再进行支护， 其效果会受到显著影响； 另 一 方面是矿井实现高效、 安全生产的要求。 2 高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚 杆支护中的关键因素 ， 是区别锚杆支护是被动支护 还是主动支护的参数， 只有高预应力的锚杆支护才 是真正 的主动 支护 ， 才能 充分发挥锚 杆支 护 的作 用 。一方面 ， 要采取有效措施给锚 杆施加较大的预 应力 ； 另一方面 ， 通过托板 、 钢带等构件实现锚 杆预 应力的扩散， 扩大预应力的作用范围， 提高锚固体的 整体刚度与完整性 。 3 “ 三高一低” 原则 即高强度、 高刚度、 高可 靠性与低 支护密度原则。在提高锚杆强度 如加大 锚杆直径或提高杆体材料的强度 、 刚度 提高锚杆 预应力、 加长或全长锚固 ， 保证支护系统可靠性的 条件下 ， 降低支护密度， 减少单位面积上的锚杆数 量 ， 提高掘进速度。 4 相互匹配原则。锚杆各构件， 包括托板、 螺 母、 钢带等的参数与力学性能应相互匹配， 锚杆与锚 索的参数 与力学性能应相互匹配 ， 以最大限度地发 挥锚杆支护的整体支护作用。 5 可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有 可操作性 ， 有利于井下施 管理和掘进速度的提高。 6 经济合理原则。 3 锚杆支护设计 西翼回风井设计断面为直墙半圆拱形。巷道净 宽 4 ． 5 IF I ， 净高4 ． 0 m， 净断面积为 1 5 ． 8 r ll 。采取 “ 锚杆 钢带 w钢护板 锚索桁架” 联合支护的 方式。 锚杆形式和规格 杆体为直径 2 2 m m热轧细牙 等强螺纹钢式树脂锚杆 ， 锚杆长度 2 ． 4 m； 采用拱形 高强托盘配合调心球垫、 尼龙垫圈使用。托盘采用 拱 型高 强 度托 盘 ， 规 格 为 1 5 0 m i l l x 1 5 0 m m x 1 0 m lT l ， 拱高不低于3 2 m m， 承载能力不低于杆体的极 限拉断力。锚固方式 采用加长树脂锚固， 规格为 MS K 2 8 5 0 ， 钻孔直径为 3 2 m m， 锚 固长度为 1 m。锚 杆布置 锚杆 排距为 8 0 0 fi l m， 每排布置 l 3 根锚杆 ， 间距 8 0 0 I T l m。均垂直于巷道表面。锚杆预紧力 设 计锚杆预紧力矩为4 0 0 ～5 0 0 N m。 护表构件 采用w钢护板配合强力锚杆托盘共 同作 为护表构件 ， W钢护板厚度 5 mm， 宽 2 8 0 m m， 长度 3 0 0 IT l m。W 钢 带规 格 长 宽 厚 3 6 0 0 m m x 2 8 0 m m x 2 ． 7 5 m m。金属菱 形网采用 8 号铁 丝编结的菱形金属菱形网， 规格 长 x宽 8 ． 0 m 0 ． 9 m， 其网孔规格为5 0 m rf l x 5 0 m m 。 锚索形式和规格 锚索材料为 咖2 2 mm， 1 ～7 股 高强度低松弛预应力钢绞线 ， 长度 6 m， 钻孔直径 3 2 m il l 。采用3 支M S K 2 8 5 0 树脂药卷加长锚固， 锚固长 度为 1 5 F FI 。锚索托盘 锚索桁架采用2 5 号u型钢制 作。锚索布置 锚索桁架排距为2 ． 4 In ， 间距为 1 ． 5 I 1 1 ， 安装角度垂直顶板 。锚索张拉力 设计锚索锁定 张拉力为 1 5 0 k N 。考虑到锚索张拉时的应力损失， 5 6 煤炭科技 2 0 1 4 年第 2 期 施工时应采用超张拉的方式保证锚索初始张拉力。 西翼回风井锚杆、 锚索支护支护参数如图2 所示。 图 2 西翼回风 井锚杆锚索支护参数 4 现场试验与矿压监测结果分析 4 ． 1 现场试验情况 经过支护设计方案确定 、 支护材料及施工机具 准备、 现场技术培训等工作， 潘西煤矿西翼回风井现 场试验于 2 0 1 3 年 2 月 中旬开始 ， 至 2 0 1 3 年 6 月巷道 掘进完毕 ， 共试验巷道长度 2 6 0 IT I 左右。 4 ． 2 表面位 移观测结果分 析 巷道掘进 过程 中 ， 共设置表面位移监测测站 3 个 。1 号表面位移测站于2 0 1 3 年 3 月 1日设置 ， 监测 到距巷道迎头6 0 m位置。初始测量时距巷道迎头 8 ． 1 m左右。监测结果 见图3 显示 巷道由掘进完 成到巷道稳定 ， 巷道两帮位移量为 9 3 mm， 为初始巷 道两帮宽度的 2 ％； 巷道顶板下沉量为 1 4 m m， 为巷 道初始高度的0 ． 3 5 ％。巷道表面位移基本在距迎头 3 0 m左右时趋于稳定。监测期间巷道底鼓量为1 4 1 m m， 巷道初始底鼓量并不大， 后期出现底鼓。 水 平移近量 一顶 底板移 近量 1 6 0 I 1 2 0 8 0 4 0 0 7 l 4 2 l 2 8 3l 4 9 5 7 6 4 7 5 9l l l O 时间／ d 图3 西翼 回风井 1 号测站表面位移监测结果 2 号表面位移监测站于 2 0 1 3 年 3 月 1 1日设置 ， 监测到巷道掘进完成 ， 监测结果 见图4 显示 巷道 由掘进完成到巷道稳定， 两帮移近量 1 0 1 m m， 为巷 道宽度的 2 ． 2 ％； 监测期间顶板下沉量为 2 4 mm， 为 巷道初始高度的0 ． 6 ％。监测期间巷道底鼓量为 1 2 8 m m， 为巷道高度的3 ． 2 ％。巷道两帮移近及顶 板下沉在距迎头3 5 m左右时趋于稳定。 1 6 0 1 2 0 8 0 挣c 4 0 0 板下沉量 7 l 4 2 1 2 8 3l 4 9 5 7 6 4 7 5 9l 1 1 O 时间， d 图4 西翼 回风井 2 号测站表面位移监测结果 3 号表面位移测站于 2 0 1 3 年 3 月 2 1日设置 ， 监 测到巷道掘进完成 ， 监测结果 见图5 显示 巷道 由 掘进完成到巷道稳定 ， 两帮移近量 2 5 2 mm， 为巷道 宽度的5 ． 6 ％； 监测期间顶板下沉量为1 6 3 m m， 为巷 道 初始 高度 的 4 ％。监测 期 间巷道 底鼓 量 为 2 0 4 mm， 为巷道高度的 5 ． 1 ％。巷道两帮移近及顶板下 沉在距迎头 3 5 n l 左右时趋于稳定。 4 0 0 3 0 0 z o o 1 0 0 O 板下沉量 7 l 4 2l 2 8 3 1 4 9 5 7 6 4 7 5 9l l 1 0 时间， d 图 5 西翼回风井3号测站表面位移监测结果 4 ． 3顶板 离层观测 顶板离层监测结 果 见 图6 显示 在整个观测 期间内， 1 号测点巷道浅部离层值为 0 m m， 深部离层 值为0 m m， 总离层值为0 m m 。2 号测点巷道浅部离 层值为4 0 m m， 深部离层值为7 0 m m， 总离层值为 1 1 0 mm。顶板离层主要发生在距巷道迎头 4 0 m范 围内， 在距迎头 4 0 m范围以外基本保持稳定 。 时 I 目／ d 图 6西翼回风井顶板离层 观测 曲线 5 结语 试 验结果表明 ， 采用大扭矩细牙锚杆可以产生 高预紧力 ， 提高锚固围岩强度 ， 对于大埋深高预应力 巷道有良好的支护效果， 在深部巷道支护中应用前 景较为广阔。 作者简介 程增仁 1 9 6 5 一 ， 男， 山东青岛人， 2 0 0 5 年毕 业于中国矿业大学机电设备与管理专业， 山东焱鑫矿用材 料加工有限公司工程师。 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 0 7