高预应力强力支护系统在王坡煤矿的应用 -全讯官网

　　王坡煤矿随着矿井产量的提高 , 开采强度和巷道断面逐渐增大 , 回采巷道受到的采动影响相比以前更为剧烈。由于支护系统强度偏低 , 在受到剧烈采动和地质构造影响的局部地段 , 巷道变形比较严重。根据统计 , 变形最为严重的地段 , 顶底板移近量接近 1m, 两帮移近量接近 2m, 虽然基本没有影响到安全生产 , 却埋下了安全隐患。

1 　高预应力强力支护理论

　　针对大断面及复杂困难巷道条件 , 在理论分析、数值模拟及井下试验成果的基础上 , 提出高预应力、强力支护理论 , 其要点是 :(1) 巷道围岩变形 　主要包括 2 部分 : 第一部分是不连续变形 , 是巷道围岩受力状态发生变化

后 , 原有的裂隙进一步张开和新的裂隙的产生等破坏性变形 ; 第二部分是连续变形 , 是巷道围岩体的弹性变形、塑性变形以及巷道顶板和两帮的整体变形。含有原生裂隙的巷道围岩强度一般比较低 , 承载能力较小 , 所以巷道形成以后 , 先会发生裂隙张开等破坏性变形 , 后发生巷道围岩的弹性变形、塑性变形等非破坏性变形。理想的巷道支护设计是 ,在巷道掘进期间 , 通过大幅度提高锚杆支护系统的支护刚度与强度 , 一次性控制住巷道的顶板下沉和两帮位移 , 阻止巷道顶板和两帮围岩内裂隙的张开和新裂隙的产生 , 在抑制巷道围岩发生破坏性变形的同时允许巷道围岩释放一部分过高的应力。高预应力强力锚杆支护理论与传统的先允许巷道发生部分变形 , 再进行加强支护的支护理念相比 , 其要求在一开始就要控制住巷道的变形 , 新的支护理念概括起来是 “先刚后柔再刚、先抗后让再抗 ” , 尽量保持巷道顶板和两帮围岩的完整性 , 最大限度地减少巷道顶板和两帮围岩强度的衰减。

(2) 高预应力强力锚杆支护的主要作用

　　控制巷道顶板和两帮围岩体锚固范围内原有裂隙的张开、位移以及产生新的裂隙等破坏性变形 , 巷道没有开挖之前 , 巷道围岩体处于受压状态 , 高预应力强力锚杆支护就是要使巷道顶板和两帮围岩处于受压状态 , 控制巷道顶板和两帮围岩破坏性变形的出现 , 使巷道顶板和两帮围岩自身成为承载的主体。在锚杆锚索锚固范围内形成一个高强度、高刚度的预应力承载结构 , 对深部围岩体也起到了很好地控

制作用。

(3) 预应力及其扩散对锚杆支护效果

　根据巷道围岩条件确定一个合理的预应力 , 并将预应力扩散到更远的巷道围岩中是一个设计成功的关键。锚杆没有预应力相当于没有支护 , 而且还破坏了巷道围岩的完整性 , 预应力偏低属于被动支护 , 也无法控制巷道围岩的变形。对于巷道顶板和两帮围岩体的表面 , 很小的支护力对控制巷道围岩的变形与破坏也非常明显。单根锚杆作用的范围很小 , 必须要通过锚杆托盘、钢带和网片等护表构件将锚杆的预应力扩散到更远的巷道围岩中 , 和其他锚杆锚索一起形成一个连接、重叠、有效的压应力区。因此 , 护表构件在预应力支护系统中的作用不容忽视。

(4) 预应力锚杆支护系统存在临界支护刚度

　临界支护刚度就是使支护系统锚固范围内不产生明显变形破坏所需要支护系统提供的刚度。影响支护刚度的关键因素是锚杆预应力 , 研究证明 , 当锚杆预应力达到 70kn 时 , 基本上可以阻止巷道顶板的下沉 , 保持巷道围岩的完整性。对于大断面及复杂困难巷道 , 应采用高预应力、强力锚杆锚索组合支护系统 , 尽量 1 次支护就能有效控制围岩变形与破坏 , 避免 2 次支护和维修。巷道基本地质与生产条件王坡煤矿 3 号煤层顶底板岩性如表 1 。王坡煤矿工作面巷道为矩形 , 掘进宽度为 4 1 5m, 高度为3 1 1m, 沿煤层底板掘进。采用强力锚杆锚索支护

系统以前 , 巷道围岩破坏深度较大 , 尤其是巷帮 ,部分区域巷帮破坏深度达到 8m ( 见图1)。为了确保煤矿的安全生产和巷道的安全使用 , 确定采用高预应力强力锚杆锚索支护系统支护巷道。

3 　高预应力强力锚杆锚索支护设计根据巷道围岩条件 , 采用有限差分数值计算软件进行了多方案比较 , 最终确定巷道支护形式为 :高预 应力、强 力 锚 杆 锚 索 组合 支 护 , 锚 杆 为< 22mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆 , 屈 服强度500mpa 。顶板锚杆长度为 2400mm, 巷帮锚杆长度为 2000mm, 杆尾螺纹为 m24, 极限破断力超过

250kn 。树脂加长锚固 , 预紧力设计为 70kn 。组合构件为 w 钢带 , 钢带厚度 4mm, 宽 280mm, 并配合高强度拱形锚杆托盘。采用菱形金属网护顶、护帮 , 锚杆排距 1000mm, 顶板每排 4 根锚杆 , 间距1200mm, 巷帮每排 6 根锚杆 , 间距 1100mm, 巷帮上下部锚杆距顶底板 450mm 。锚索采用 < 22mm 强力锚索 , 破断力大于 560kn, 延伸率为 7% , 并配合高强度拱形大托盘。顶板每 2 排布置 2 根锚索 ,锚索排距 2000mm, 间距 1500mm, 距巷帮距离1500mm, 树脂加长锚固 , 预紧力设计为 250kn 。

4 　矿压观测分析强力锚杆锚索支护系统于 2009 年应用于井下 ,为了监测巷道支护质量 , 进行了巷道表面位移观测( 图 2, 图3)。其中 1 号测站在强力锚杆锚索支护

3 　高预应力强力锚杆锚索支护设计根据巷道围岩条件 , 采用有限差分数值计算软件进行了多方案比较 , 最终确定巷道支护形式为 :高预 应力、强 力 锚 杆 锚 索 组合 支 护 , 锚 杆 为< 22mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆 , 屈 服强度500mpa 。顶板锚杆长度为 2400mm, 巷帮锚杆长度为 2000mm, 杆尾螺纹为 m24, 极限破断力超过

250kn 。树脂加长锚固 , 预紧力设计为 70kn 。组合构件为 w 钢带 , 钢带厚度 4mm, 宽 280mm, 并配合高强度拱形锚杆托盘。采用菱形金属网护顶、护帮 , 锚杆排距 1000mm, 顶板每排 4 根锚杆 , 间距1200mm, 巷帮每排 6 根锚杆 , 间距 1100mm, 巷帮上下部锚杆距顶底板 450mm 。锚索采用 < 22mm 强力锚索 , 破断力大于 560kn, 延伸率为 7% , 并配合高强度拱形大托盘。顶板每 2 排布置 2 根锚索 ,锚索排距 2000mm, 间距 1500mm, 距巷帮距离1500mm, 树脂加长锚固 , 预紧力设计为 250kn 。

4 　矿压观测分析

　　强力锚杆锚索支护系统于 2009 年应用于井下 ,为了监测巷道支护质量 , 进行了巷道表面位移观测

( 图 2, 图3)。其中 1 号测站在强力锚杆锚索支护系统进行了 200m 位置处 , 2 号测站在 300m 位置处。从表面位移观测曲线可以看出 , 巷道掘进 1 个月后 , 两帮位移量不到 25mm, 顶板下沉量小于10mm, 并趋于稳定 , 证明强力锚杆锚索支护系统有效地控制了巷道围岩离层、滑动、裂隙张开以及新裂隙的产生等扩容变形 , 显著减小了围岩离层、变形、破坏范围和松动区的大小 , 很好地保持了巷道围岩的稳定性和完整性 , 3201 工作面回采期间 ,巷道基本上没有发生变化 , 没有进行维修。

5 　结论

通过现场勘测和理论分析 , 多伦协鑫煤矿 ⅰ采区 1702- 1 工作面7 号煤层 “底砾区 ”和 “底黏区 ”均可实现顶分层综放开采 , “底砾区 ”可留设防砂安全煤岩柱 , “底黏区 ”可留设防塌安全煤岩柱 ,从而优化了采煤方法 , 提高了煤炭的采出率 , 具有比较大的推广和借鉴意义。