桁架支护（共4篇）
桁架支护 篇1
在解决松软岩层巷道支护问题上, 拱型桁架提供了一种新的经济有效的手段。它属于轻型支护结构。它同锚喷支护配合使用, 不仅具有较好的力学性能, 而且重量轻, 使生产成本大大下降, 应用范围不断扩大。
1 桁架—描杆复合支护
锚杆和拱型桁架组成的复合支护, 锚杆和桁架之间相互独立、相互协调、互为补充, 此结构使巷道围岩的力学性质改善, 增强了巷道的稳定性。用预加应力的方法把深入岩体内部的锚杆拉紧, 可提高岩石分层间的摩擦阻力, 使岩层弱面抗剪强度增大, 同时把两支撑点间的岩层夹紧, 加固巷道上方的松软岩层, 并通过锚杆固结到其上部坚固的岩层上或紧挂在自然平衡拱上。被加固的松软破碎岩层会由于完整性的增加, 形成梁或拱式的承载结构, 使围岩的自身承载能力增加。
因其锚杆主动加固巷道围岩, 使松软破碎围岩增加自身的强度, 以减少巷道围岩的变形量, 降低对拱型析架的围岩压力。同时, 因其桁架通过张紧的锚杆, 同围岩连在一起, 使桁架同围岩贴的更密实, 桁架的稳定性大大提高。支设后整个桁架只在两个底脚处形成两个支点, 围岩略有变形, 就会在桁架上形成较大的弯矩和剪力, 可能使桁架过早的变形损坏。在锚杆安设后, 锚杆直接压在桁架上, 桁架的支点数量增加较多, 相临两支点间距, 即锚杆间距大大缩短, 由于两支点间距的缩短, 使桁架内部的弯曲应力和剪应力降低, 以增加整个桁架的承载能力。
桁架两根副筋和金属网通过锚杆固定在围岩表面。两根副筋具有较强的抗拉能力, 它与在这一排上的多根锚杆构成支护结构, 整体性增强, 要防范个别锚杆由于锚固力不足或预紧力达不到要求使局部支护失效。因其桁架与顶板间有摩擦力, 顶板下沉时, 副筋受拉力作用, 使副筋伸长。巷道围岩表面附近的岩体拉力就部分移到桁架上, 围岩的拉应力减少, 这对巷道表面岩层的稳定有利。
因其桁架是个整体性立体结构, 本身具有一定的承载能力, 在巷道围岩松软破碎时, 能托住金属网, 增加顶板的受控面积, 弥补锚杆支护的间隙, 防止岩块冒落。在相临两根锚杆之间的桁架, 相当于一段梁, 有相当的刚度, 能支承一部分荷载, 从主副筋分开分析, 副筋又相当于一段钢带, 在围岩变形时, 由于副筋较细, 可能出现弯曲变形, 副筋又同锚杆共同作用, 给它们控制的这块岩层提供一定的挤压应力, 使岩层从不利的受拉应力状态改变成有利的受压应力状态, 使围岩的强度得到加强。这种弯曲变形越大, 此结构提供给围岩的挤压应力越大, 对围岩的稳定有利。
2 拱形桁架—描杆—喷射混凝土复合支护
根据“新奥法”施工原理, 软弱岩层在开挖后要及时初喷一层混凝土, 封闭围岩以避免围岩的风化及岩性的恶化, 再铺设金属网和安设桁架, 打锚杆眼, 安装锚杆, 用锚杆把桁架和金属网同围岩连在一起, 形成整体。支护结构就具备了一定的承载能力, 形成巷道的初次支护。根据软弱岩层巷道“先柔后刚”的支护要求, 在支护初期, 允许巷道出现一定的变形, 释放一定压力。在巷道变形基本稳定后, 进行复喷。按照具体情况, 复喷应分一次或两次, 喷至设计厚度, 完成二次支护。最后形成拱型桁架的复合支护, 如图1所示。
巷道开掘后及时初喷一层混凝土, 不但能避免巷道围岩风化和阻止岩性恶化, 它还可迅速的承受一部分荷载, 使开掘后的巷道表面在一定程度上修复, 提高巷道围岩的自承能力。
在拱型桁架、锚杆、金属网安设完后, 拱形桁架对巷道围岩的支撑作用、锚杆的加固作用及金属网的抗拉作用又对初喷混凝土的不足进行了补充, 克服了支护形式单独使用时的主要缺点。锚杆支护有非常高的承载能力和可塑性, 但也不能避免围岩表面风化和开裂, 喷射棍凝土能充填巷道周边岩层裂隙, 隔绝围岩表面和锚杆杆体不受矿井有害空气影响。因喷射混凝土可塑性差, 受拉应力后喷层表面易开裂, 金属网有较好的抗拉性能, 可弥补喷射混凝土的不足。拱型析架在复喷前主要同锚杆配合, 对巷道变形起支撑作用, 由于软弱岩层的移动范围和移动量较大, 这时锚杆和初喷混凝土在阻止围岩塑性变形方面就抗力不足, 需要有一定刚度的支架控制此变形, 拱型桁架具备此条件。几种支护形式相互协调、补充, 就构成了巷道的初次支护结构, 可维护巷道围岩的稳定。
巷道复喷后整个支护结构形成具有复合支护形式的钢筋棍凝土结构。此时拱型桁架就变成了此钢筋混凝土结构的钢筋骨架。锚杆继续发挥原来的作用, 金属网 (或钢带) 成了钢筋混凝土结构的配筋。在复喷初期因混凝土强度低, 拱型桁架仍可发挥其支撑巷道围岩的作用, 由于拱型衔架在刚度上同喷射混凝土匹配较好, 可与巷道变形相互适应。在混凝土硬化到最终强度后, 具有较高的抗压强度, 此强度能消除喷层由于受压的破坏, 一般情况是由于抗拉强度不够而破坏, 这时拱型桁架就成了喷射混凝土的加强筋。桁架主筋主要承受拉应力, 也要提高靠近喷层表面的抗压性能。桁架配筋主要承受剪应力, 提高整个喷层的抗剪性能。拱型桁架结构同锚喷配合使用, 能使锚喷支护结构在刚度上有较大的提高, 具有较强的承载能力, 维持巷道围岩的稳定。
摘要：本文主要对桁架—描杆复合支护、拱形桁架—描杆—喷射混凝土复合支护等复合支护的两种形式进行了分析。
关键词：拱形桁架,复合支护,作用
桁架支护 篇2
随着煤矿生产力的不断发展和锚杆支护理论的完善和成熟, 以及“十五”期间的科技攻关, 锚杆支护在煤巷掘进支护中的比重越来越大, 目前全国主要矿区煤巷锚杆支护的比重超过了70%, 一些现代化大型矿井的比重超过了90%, 其主要原因在于煤巷锚杆支护有以下诸多优点:1.1在支护原理上符合现代岩石力学和围岩控制理论, 锚杆与被锚固围岩共同承载, 属主动支护, 能够调动和利用围岩自身的稳定性, 充分发挥围岩的自身承载能力, 有效地控制巷道围岩变形。1.2适应性强, 支护成本随采深增加、条件恶化的升幅, 不像棚式支护大幅度上升, 相反降低的更多, 支护效果更显著。1.3在相同地质条件下, 参数合理的锚杆支护, 围岩变形量通常比棚式支护减少一半以上, 一般条件下不需要维护, 困难条件下, 只需简单、快捷的维护。1.4所需材料体积小、重量轻, 辅助运量大大降低, 既减轻了工人的劳动强度, 又改善了作业环境。工作面端头不需要撤棚, 节省了回棚工序, 简化了端头管理。
2 煤巷锚杆支护存在一些问题
虽然煤巷锚杆支护有许多优点, 但由于其是隐蔽性较强的支护形式, 参数确定以后, 怎样确保工程质量和施工安全比较困难, 条件恶化或变化时不及时采取针对性的措施常常导致冒顶事故的发生。目前一些特殊地质条件如松软煤层的高帮, 大倾角巷道高帮, 沿空巷道, 高应力巷道的锚杆支护使用程度还很有限。这类巷道在高应力作用下, 帮部变形很大, 常常造成巷道收缩变形致使巷道无法使用, 特别是对于沿空掘巷, 目前的高性能锚杆组合支护技术也显得无能为力, 巷帮的变形量尤其是煤柱帮, 在掘巷之初就有明显的变形, 到回采阶段, 变形量通常达到总变形量的70%以上, 断面收缩近2/3, 巷道无法使用, 甚至造成安全事故, 许多工作面不得不停产翻修巷道或另开掘巷道, 给矿井的安全和生产带来极大的危害, 如何真正有效地解决这些复杂条件下的煤巷锚杆支护问题变得越来越急迫。因此, 我们创新性地提出在煤帮使用预应力桁架进行支护, 可以有效抵抗巷帮与顶板之间的相对错动剪切力, 有效控制帮部向巷内位移, 从而减少巷帮变形, 使巷道满足生产需要。
3 现有常用桁架的种类与特征
3.1 建筑类桁架概念和特征。
目前建筑行业使用的是建筑类桁架, 是指工程中由杆件通过焊接、铆接或螺栓连接而成的结构, 称为“桁架”, 通常是钢桁架, 主要是一种空间体系的架式结构, 其特征和用途与矿用桁架完全不同。建筑桁架的工程要求:足够的强度-不发生断裂或塑性变形;足够的刚度-不发生过大的弹性变形;足够的稳定性-不发生因平衡形式的突然转变而导致的坍塌;良好的动力学特性-抗震性。3.2简易锚杆桁架结构和特征。目前煤矿常用的桁架是简易锚杆桁架结构, 其主要由两个托板、两根倾斜锚杆和两根拉杆组成。托板的材料为铸钢, 托板上设计有1个倾斜锚杆孔和两个拉杆孔。拉杆为相同的两根螺纹钢或Q235钢筋, 两根钢筋的两端均制有螺纹, 通过螺母与托板联结在一起。简易锚杆桁架是一种能在巷道顶板的水平及垂直方向同时提供挤压应力的主动支护结构。在拉杆和两倾斜锚杆的协调作用下, 随着巷道顶板的弯曲变形, 在巷道顶板内部产生更大的水平挤压应力, 巷道顶板与桁架锚杆之间存在作用与反作用及相互制约的关系。
4 新型预应力桁架支护技术
4.1 预应力桁架的概念。
预应力桁架是将巷道两肩窝深部岩体作为锚固点, 专用张拉机具通过桁架连接器将高强度的预应力钢绞线锁紧, 并传递张拉力, 实现对顶板浅部围岩的兜护和对顶板结构的加固, 控制顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。它由预应力高强度钢绞线、桁架连接器、锁具和锚固剂组成。4.2预应力桁架的作用机理。预应力桁架最初应用在顶板, 当支护的预应力达到一定程度时, 能形成预应力承载结构, 该结构不仅能够通过大变形实现对外层结构的适应性让压, 同时能够在大变形中保持整体稳定性。具有这种变形让压和整体稳定性特征的层状顶板结构叫预应力承载梁, 它具有连续传递应力的效应, 从而使垂向应力集中程度减缓, 两帮煤体破坏减弱, 消除或大大减缓顶板离层, 并从根本上控制巷道围岩的最终变形量, 以达到最佳支护效果。这种支护方式充分发挥了各自的优势, 刚柔相济、内外并举、标本兼治, 即控制变形又保证安全, 达到了安全和经济效果。4.3预应力桁架与锚索对比的优点。预应力桁架与锚索相比有许多优点:a.桁架内锚固点为巷道两肩窝深部岩体, 十分可靠, 而锚索内锚固点在巷道正上方, 可能随顶板垮落而失效;b.桁架中拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触, 作用范围大, 松散破碎顶板受力状态好;而锚索与顶板围岩是点接触, 外端煤体易破碎, 并导致锚索松动;c.钢绞线抗剪性强, 能够缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏;d.随围岩变形易形成闭锁结构, 支护结构不易失效;而锚索随顶板变形, 载荷直线上升, 易拉断失效;e.桁架施加的水平预拉力在巷道顶板内产生一对对称弯矩, 平衡顶板弯曲而产生的拉应力区, 减少顶板破坏, 大大改善了顶板的稳定性。4.4预应力桁架的具体形式。4.4.1顶板桁架。预应力桁架在煤巷顶板已得到了广泛的使用, 施工工艺和技术日趋成熟, 特别是跨度较大的巷道, 应用桁架支护能够有效控制顶板变形, 满足矿井生产和安全需要。当巷道跨度大于4.0m, 直接顶为复合顶板时, 单纯施工锚索无法实现锚索的补强支护作用时, 为加强对顶板岩层的控制, 可垂直巷道走向施工顶板桁架, 桁架锚索以巷道两帮顶部较为稳定的岩层为锚固点, 而后两根锚索中间用桁架连接器联结并强力张拉, 产生的均布的水平方向载荷, 支撑顶板, 增大了护顶面积和强度, 达到护顶的目的。4.4.2帮部桁架。顶板桁架解决了大断面巷道顶板稳定与安全性问题, 但复杂条件下煤巷帮部稳定性问题给我们提出了更大挑战, 通过现场试验, 我们成功将顶板桁架应用于帮部, 支护时以顶底角为锚固点, 桁架产生的均布竖直方向的载荷, 形成“梁”结构, 以煤帮深部稳定围岩的小变形控制巷道外部的大变形, 解决煤巷帮部变形大的技术难题。帮部桁架又有两种方式:一是帮部竖向桁架, 用于实体和沿空, 这已在许多矿区推广应用, 效果良好;一是帮部横向桁架, 这些均是桁架支护在理念和手段的创新。4.5预应力桁架的施工方式。顶板桁架的施工与锚索相比有些区别, 这儿主要对帮部桁架的施工方式给予说明。4.5.1帮部竖向桁架的施工方式。分别在巷帮靠顶底板位置施工钻眼, 锚杆桁架施工60°时效果最好, 而我们通过现场试验, 钻眼角度与水平夹角40°~50°左右时效果良好;然后用扫孔器将眼内煤岩粉吹扫干净;在孔内穿桁架钢绞线, 钢绞线前端放树脂药卷锚固;用桁架专用联接器将两根钢绞线联接, 安装配套索具并用张拉仪进行张拉紧固, 张拉力不低于70k N。4.5.2帮部横向桁架施工方式。帮部竖向桁架在使用过程中出现了问题, 底角锚索钻孔的施工难度大, 锚固效果差, 针对此现象, 我们提出了横向桁架的支护形式, 以张新煤矿实际应用为例, 分别在靠近帮部的下部和上部适当位置施工眼孔, 垂直打入帮部, 为方便施工, 可适当向上10°左右, 仍用桁架联结器连接锚索, 张拉要求同竖向桁架, 完成两个横向桁架跳过两排钢带后安装第二排两个横向桁架。
结束语
预应力桁架支护技术在控制顶板离层、大倾角高帮整体移动、小煤柱松散变形及深井高应力软岩巷道围岩关键部位加固等复杂条件下的应用具有很强的灵活性和针对性。我国每年新掘煤巷10000km以上, 其中20~30%是各类复杂条件下煤巷, 成功应用预应力桁架支护技术, 就为该类煤巷锚杆支护提供了安全和技术保障, 同时给煤炭企业带来巨大的经济效益和社会效益, 应用前景非常广阔。
摘要：锚杆支护已成为当前煤巷的主要支护形式, 但由于复杂条件下仍存在一些安全和技术问题, 必须推陈出新。详细阐述了一种新型预应力桁架支护形式, 包括预应力桁架的概念、作用机理、与锚索对比的优点、具体形式以及施工工艺。最后给出了鸡西张新矿的成功应用实例, 表明了该支护技术在理念和手段上是煤巷锚杆支护的一个突破和创新, 有着很大的推广价值和广阔的应用前景。
关键词：煤巷,锚杆支护,预应力桁架,支护技术,创新
参考文献
[1]何满潮, 袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版社, 2004, 4.[1]何满潮, 袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版社, 2004, 4.
[2]付跃升.简易锚杆桁架在煤巷支护中的应用[J].建井技术, 1999, 4.[2]付跃升.简易锚杆桁架在煤巷支护中的应用[J].建井技术, 1999, 4.
桁架支护 篇3
锚杆 (索) 联合支护常用的支护形式有锚梁网联合支护和桁架锚杆支护[3,4]。锚梁网联合支护是指用锚杆、托梁、掩护网等构件将多个锚杆连成一个对围岩起控制作用的整体结构, 常用的掩护网有金属菱形网、金属经纬网、塑料网钢筋网等, 常用的托梁和钢带有钢筋梯子梁、W型钢带、M型钢带、型轻型钢带等。锚梁网联合支护使围岩所受锚托力相对均匀, 增加了锚杆的支撑面积, 阻止了锚杆间小块岩石冒落, 加强了围岩的整体性[5]。桁架锚杆支护是指由锚杆、拉杆、拉紧器和垫块组成的承载结构, 这种支护方式增加了顶板岩层的抗弯能力和裂隙之间的摩擦因数, 提高了围顶板的完整性。工程实践证明组合锚杆支护的效果比单独使用锚杆支护的效果好很多。在2204工作面沿空巷道的支护方案设计中既有锚梁网的联合支护, 也有桁架锚杆支护, 即为锚带网索桁联合支护。
1 支护方案
新桥煤矿2204沿空巷道宽3.6m, 斜顶长度3.8m, 中高2.7m, 低帮2m, 高帮3.4m, 巷道断面9.72m2。巷道直接顶比较平缓, 顶板完整性较好, 支护参数如下:
1.1
巷道顶板采用5根高强树脂锚杆加3.8m长M4型钢带 (或W钢带) 、菱形金属网联合支护。锚杆规格为Φ20×2 200mm, 每根锚杆采用两节ZK2335型树脂药卷加长锚固;锚杆间距850mm, 排距800mm。锚杆预紧力不小于50k N, 锚固力不小于100k N。
1.2
巷道高帮采用5根高强树脂锚杆加1.8m长M4型钢带 (或W钢带) 、双抗网与菱形金属网联合支护。锚杆规格为Φ18×2 000mm。每根锚杆采用两节ZK2550型树脂药卷加长锚固;锚杆间距为800mm, 排距均为800mm。锚杆预紧力不小于50k N, 锚固力不小于200k N。
1.3
巷道低帮采用3根高强树脂锚杆加1.8m长M4型钢带 (或W钢带) 、双抗网与钢筋网联合支护。锚杆规格为Φ20×2 400mm, 每根锚杆采用两节ZK2550型树脂药卷加长锚固;锚杆间距750mm, 排距800mm。锚杆预紧力不小于50k N, 锚固力不小于200k N。
1.4
顶板锚索按隔一行的五花布置 (具体布置方式见图20) , 钢绞线规格为Φ17.8×6.3m, 锚索托盘采用M型托盘加平垫板。每孔采用四节ZK2550树脂药卷加长锚固, 以保证锚固效果。锚索预紧力不低于80k N, 锚固力不低于250k N。
1.5
每两排钢带中间位置布置一套高预应力纵向桁架系统, 钢绞线规格为Φ17.8×6.3m, 槽钢梁规格为14#、长1.6m、两眼孔距1.3m。桁架两根钢绞线分别穿过槽钢梁两头的眼孔, 槽钢梁下眼孔距底板300mm。槽钢梁平行帮部钢带铺设, 分别向顶45°、底45°角施工于巷帮围岩中, 眼深为4.5m, 钢绞线外露部分通过专用锁具张拉固定于帮部槽钢梁。桁架钢绞线每孔采用四支ZK2550树脂药卷加长锚固, 以保证锚固效果;桁架排距为1.6m, 预紧力不低于80k N, 锚固力不低于250k N。帮部桁架距迎头不大于10m安装。
1.6
在巷道煤层倾角变大的区域, 钢带下端距离底板超过350mm时, 要在钢带下端空帮位置增打一根单体锚杆, 锚杆下面要沿巷道走向铺设帮部钢带, 锚杆规格及锚固要求同帮。
1.7 帮、顶锚杆均使用减磨垫圈。
巷道支护具体布置见图1。
2工业试验
考虑到2204工作面沿空巷道要经历多次动压影响且巷道所处位置地应力本身较大, 故2204工作面沿空巷道将采用锚杆、锚索的联合支护, 以充分发挥锚杆 (索) 主动支护、支护强度高的特点。2204运输平巷共设置了三个测站观测巷道围岩位移情况, 巷道掘进期间和工作面回采期间, 对三个测站的观测数据分别进行处理, 得出巷道相应围岩变形量曲线如图2、图3所示。
通过分析图2可知:巷道顶板下沉量和两帮移近量都比较小;巷道两帮移近量主要在沿空帮, 实体煤帮不大;巷道顶板最大移近量为62mm, 两帮最大移近量为90mm。通过分析图3可知:两帮移近量最大达315mm, 是掘进期间的3.5倍;顶底板最大移近量达91mm, 是掘进期间的1.5倍;沿空帮得移近量达220mm, 占总移近量的70%。从整体上看, 在掘进期间与回采期间巷道变形量均得到了较好的控制, 效果良好。
3 结论
根据矿压观测结果分析认为, 本实验巷段支护方式选择科学、支护参数设计合理, 巷道经受了掘进侧向压力影响、煤岩蠕变、煤体风化、回采超前支撑压力影响、小煤柱碎胀变形的考验, 试验取得了成功, 达到了预期的支护效果。
摘要：新桥煤矿2204工作面沿空巷道要经历多次动压影响且巷道所处位置地应力本身较大, 设计采用桁架锚杆的联合支护, 以充分发挥锚杆 (索) 主动支护、支护强度高的特点。本文具体探讨了支护方案, 并进行了工业试验。实验结果表明:支护方式选择科学, 支护参数设计合理, 达到了预期的支护效果, 可以为相似条件下的其它矿井提供技术参考。
关键词：沿空巷道,桁架锚杆支护
参考文献
[1]孙玉亮, 王琦, 周健, 张有乾, 张小楼.井深部沿空巷道围岩控制技术[J].煤矿安全, 2014 (05) :79-81.
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[3]王红胜, 李树刚, 张新志.沿空巷道基本顶断裂结构影响窄煤柱稳定性分析[J].煤炭科学技术, 2014, 42 (2) :19-22.
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桁架支护 篇4
蕲南煤矿721工作面位于82采区-550 m水平, 煤层有71、72煤层, 地面标高+22 m, 工作面标高-360～-390 m。721工作面回采7l、72两层煤, 其中7l煤厚0～1.2 m, 7l煤与72煤间距1.2～1.5 m;72煤厚1.6～2.5 m, 平均厚2.2 m, 两煤层结构较为简单, 煤层倾角5～10°, 平均8°。一般不含夹矸, 仅72煤层局部含一层夹矸, 岩性为泥岩, 厚0.05～0.20 m。721工作面是“双突”工作面, 72煤层具有煤与瓦斯突出危险性, 煤尘也具爆炸危险性。721工作面为基本无热害区。
(1) 地质构造。
721工作面基本沿煤层走向布置, 地层走向近南北, 倾向东, 地层倾角5～10°, 平均为8°。夹矸岩性以泥岩为主, 局部为细粉砂岩, 岩石强度较高。根据钻探资料及三维地震资料分析, 工作面四周及内部有3条断层, 受断层影响, 预计工作面内部小构造较为发育, 局部地段煤层起伏可能较大。地压较大, 顶板较为破碎, 局部有滴淋水现象, 对工作面的掘进及以后的回采有一定影响。
(2) 水文地质。
①721工作面水文地质条件较为简单, 主要受顶、底板砂岩裂隙水影响。因砂岩裂隙不太发育, 且富水性较弱, 所以在掘进施工过程中局部可能出现淋水现象。②上部受“四含”水的威胁, 已按设计在-360 m处留设防砂煤柱, 一般不构成安全威胁。工作面掘进期间, 需加强水情观测及顶板控制, 严格控制巷道标高。③影响掘进的其他因素:矿井最大涌水量10 m3/h, 正常涌水量3～5 m3/h。
2 巷道维护特点
①受顶、底板砂岩裂隙水影响, 施工过程中如果淋水较大, 会对施工效果和锚固质量造成很大威胁。同时, 复合顶板遇砂岩裂隙水泥化, 严重膨胀, 变形量急剧增加, 控制难度极大。这也是721运输巷锚网索支护失效的重要原因之一。②沿72 煤层直接顶板掘进, 顶板为薄层状泥岩, 其上又为71 煤层, 局部地段薄层状泥岩逐渐尖灭, 2层煤交叠重合在一起, 属于极易离层的复合破碎型顶板。③煤层倾角较小, 利于巷道成型。④煤层硬度中等偏低, 有一定自稳能力。⑤采用爆破掘进, 要破底板岩层, 对维护顶板的完整性不利。⑥2层煤厚度变化较大, 时有变薄甚至尖灭, 顶板岩性变化快, 层理不稳定, 顶板控制难度相当大。巷道上下岩层结构及岩性层位如图1所示。
该类巷道目前采用U型钢架棚支护, 巷道变形较严重, 表现为四周全面来压, 直观表现为高地压, 棚式支护不能满足该类条件。按煤巷锚杆发展的技术水平和最新成果, 应用预应力组合支护理论, 采用新型等强预拉力锚杆 (锚索、锚索梁) 组合支护系统可解决这一技术问题。同时考虑到顶板砂岩水的危害, 辅以注浆堵水防渗, 维持顶板锚固区稳定。
3 基本支护思想
根据水患对岩体和锚固体性质的影响分析, 将巷道顶板分为2个区。①无水区:顶帮围岩干燥, 看不到水迹。②水患区:顶、帮任一方有明显淋水现象。
3.1 支护技术路线
(1) 以高强预应力支护体系为基础。
高性能预拉力锚杆能实现较大的预拉力, 同时锚杆载荷超过杆体屈服强度后可以延伸, 而不至于在尾部破断, 通过杆体的伸长适应巷道围岩的大变形。采用M型钢带, 技术经济效果好, M型钢带抗弯截面利用率为1 468 mm3/kg。小孔径预应力锚索由高强度预应力钢绞线、专用托盘、锁具和锚固剂组成, 可和锚杆预拉力匹配, 并克服刚度低的缺陷。预应力桁架水平拉索的预紧力可以改善顶板的应力状态。斜拉锚索梁克服了单体锚索护顶面积小的缺点, 同时弥补了桁架随围岩位移预应力损失而逐渐失去支护效果的缺陷。
(2) 关键部位强化支护。
松软煤体复合顶板是该类巷道支护的关键部位, 必须有效加固。有2种加固方式:①锚索加强支护。锚索长度不受巷道尺寸限制, 能形成较大的加固范围, 约束顶部浅位岩体的整体移动。②预拉力钢绞线斜拉锚索梁系统。利用巷道围岩的特殊变形规律和特点, 以顶板两侧围岩的相对稳定区作为锚固点, 对顶部围岩主动施加侧向约束, 控制顶部浅部岩体的整体移动。
(3) 在裂隙水患区岩层滞后注浆加固。
岩层内部注浆的根本目的是, 将岩层内的裂隙或破碎围岩胶结在一起形成完整岩体, 提高内聚力和内摩擦角, 提高围岩自身的承载能力;另一方面, 浆液封堵了裂隙, 使顶板涌水失去通道, 减少顶板滴水和淋水现象。
3.2 关键技术
(1) 进一步强化顶板, 减缓两帮压力。
按预应力承载梁支护理论, 当顶板支护预拉力达到一定程度时, 能形成预应力承载结构。该结构不仅能够通过大变形实现对外层结构的适应性让压, 且能够在大变形中保持整体稳定性, 从而使垂向应力集中程度减缓, 两帮煤体破坏减弱, 从根本上控制巷道围岩的最终变形。
(2) 强化顶板初期支护强度。
预应力支护理论的精髓就在于锚杆 (索) 的初锚力相对要大, 在支护的初期就必须对围岩施加一个强大的主动支护作用, 使开挖后的围岩及时得到应力重塑, 尽可能加强环向约束, 岩体变形相应就小。因此, 在掘进初期, 要强化顶板初始支护强度, 加大初期支护投入。
(3) 改善围岩性能, 削弱水患影响。
由地质资料得知, 试验巷道局部地段淋水可能性较大。因而在新掘巷道时, 必须加强水的管理, 及时疏导。在疏导水源的基础上, 进行必要的岩层内部注浆和围岩表面喷浆, 增强预应力承载结构性能。
4 支护方案
根据该巷顶板完整度和上面顶帮水患影响程度对顶帮所做的分区分类划定, 提出“分区支护”的围岩综合控制技术体系。无水区:锚网带、顶板斜拉锚索 (梁) 、锚索。水患区:锚网带、顶板斜拉锚索 (梁) 、锚索、顶 (帮) 注浆。
(1) 基础支护。
基本支护方式为高性能预拉力锚网带支护。顶板和帮部均采用高性能预拉力锚杆支护, 最大限度地加大锚固长度和范围, 结合M型钢带护顶、护帮, 顶、帮均采用菱形金属网紧贴岩面护顶、护帮。
(2) 关键部位加强支护。
关键部位加强支护采用预拉力锚索或锚索梁支护。考虑到顶板跨度较大、巷道地压大、顶板泥化膨胀变形严重, 特在顶板高强锚杆支护的基础上适当加锚索 (梁) 强化支护。
(3) 围岩滞后注浆加固。
水患区, 在锚网带索梁基本支护的基础上, 滞后掘进面适当距离, 进行顶板岩体内注浆支护。目的是固化煤岩体, 封堵水患裂隙通道, 保证锚固效果。
特别说明:顶板构造异常带、断层带、淋水突然变大带、直接顶厚度变化异常带、出现卡钻吸钻等冲击倾向性特殊地段, 应首先加密顶部锚杆, 然后及时套棚, 或采取其他支护方式。
5 支护参数设计
采用以计算机数值模拟为基础的锚杆支护系统设计方法, 应用FLAC4.0有限差分软件, 进行方案优选。
5.1 巷道断面
为保证巷道在最终变形后能满足通风、行人等安全生产需要, 并根据岩层倾角, 设计断面为直墙斜梯形 (图2) :净宽×中高=3.6 m×2.6 m。
5.2 无水区锚网带索梁支护参数
(1) 巷道顶板采用5根螺纹钢等强预拉力锚杆加3.4 m长M4型钢带、菱形金属网联合支护。锚杆规格为M22-2 400 mm (最下面1根可同低帮) , 每根锚杆采用2节Z2550型中速树脂药卷加长锚固;锚杆间排距750 mm×800 mm。锚杆预紧力不小于30 kN, 锚固力不低于120 kN。
(2) 巷道两帮采用4根螺纹钢等强预拉力锚杆加2.4 m长M4型钢带、菱形金属网联合支护。锚杆规格为M20-2 200 mm, 每根锚杆采用2节Z2550型中速树脂药卷加长锚固;锚杆间排距为750 mm×800 mm。锚杆预紧力不小于20 kN, 锚固力不低于80 kN。
(3) 顶板每2排钢带布置一套斜拉锚索梁系统, 钢绞线规格为Ø15.24 mm、长6 300 mm。锚索角度:外帮角倾斜30°;锚索位置:分别距离巷帮800 mm, 同排锚索间距2 000 mm;每孔采用1节K2550快速树脂药卷和3节Z2550中速树脂药卷加长锚固, 以保证锚固效果;排距为1 600 mm;预紧力60～70 kN。
(4) 顶板每2套预应力锚索梁之间再布置一套锚索系统, 钢绞线规格、锚固要求及张拉要求等同上, 使锚索在顶板的布置呈五花形。
(5) 帮部最上面一根锚杆向上倾斜30°, 最下面一根锚杆向下倾斜30～45°角度安设, 顶板两侧锚杆在垂直顶板方向再向外倾斜20～30°, 其他锚杆按图2所示安设, 以便于施工和有效控制围岩。
(6) 帮顶破碎处, 施工2～4根右旋全螺纹预拉力锚杆加强, 锚杆长度为2 000 mm, 直径为18 mm, 采用全长锚固方式, 每根锚杆采用2节Z2550型中速树脂药卷锚固。
(7) 顶锚杆设计扭矩不低于150 Nm, 帮锚杆设计扭矩不低于100 Nm, 机具扭矩不足时采用人工滞后加扭。
(8) 顶板锚索 (梁) 滞后掘进面5 m 安装。
5.3 水患区注浆参数设计
(1) 水患区锚网带索梁支护参数同无水区。
(2) 煤岩体内注浆参数。①在顶、帮水患区进行煤岩层内部注浆。注浆锚杆Ø42 mm, 孔深3.0 m。②帮∶顶∶帮注浆孔采用1∶2∶1型布置方式。③注浆锚杆长度2 500 mm, 采用Ø15 mm钢管制成。④浆液为水泥—水玻璃, 采用525#水泥, 水玻璃浓度为45°Bé, 用量为水泥质量的3%～5%, 浆液水灰比为0.7∶1, 最大注浆压力2.0 MPa, 帮部最大注浆压力为1.5 MPa。⑤根据具体的渗水淋水位置施工注浆锚杆, 再根据堵水效果决定是否加打注浆孔及是否补注, 通常以1根注浆锚杆控制2.0 m2 左右的面积计算注浆锚杆的数量。⑥注浆作业滞后掘进工作面10～20 m, 在30 m范围内完成。
6 效果
(1) 据巷道变形观测结果分析, 巷道施工后27 d内是变形量最大的时期, 当帮部变形量超过设计允许变形量 (顶300 mm, 帮500 mm) , 达到600 mm时, 及时采取了补强措施。
(2) 补强措施是帮部每2排加1排锚索桁架, 顶部加密。通过补强, 综合治理效果达到设计要求, 顶板最大下沉量236 mm, 两帮最大收缩量389 mm。
(3) 围岩综合治理效果显著, 达到了预期效果。
摘要：依据现已掌握的巷道围岩赋存状况及相关地质资料, 确定了蕲南煤矿721工作面风巷的综合控制技术方案, 并设计了支护参数, 收到了良好的治理效果。