李雅庄矿2-6071巷锚杆支护设计

李啸天

(霍州煤电集团责任公司 技术研究院,山西 霍州 031400)

支护设计从根本上决定了矿井巷道的锚杆支护的安全性与稳定性,是煤矿安全生产的关键。当前,国内外不少学者对锚杆支护进行的大量研究:康红普等人[1]研究了不考虑地应力影响下的预应力锚杆支护的相关参数;侯朝炯等人[2]通过实验研究得出巷道锚杆支护强化了锚固区围岩强度,使围岩保持稳定;杨振茂等人[3-4]基于地应力,通过数值模拟、现场试验与监测和工程类比等方法对锚杆支护进行了优化,并得出适合我国煤矿的锚杆支护设计方法。目前李雅庄煤矿2-6071巷存在高地应力和受采动影响的支护难题,为保证本巷支护能够满足巷道服务年限,故特对2-6071巷进行专项支护设计。

1 2-6071巷地质概况

2-6071巷位于2-607工作面,埋藏深度516 m ～617 m,设计长度1 417 m。

煤岩层情况:2-6071巷设计沿2#煤顶板掘进,2#煤层平均厚度3.3 m,煤层强度为13.96 MPa,直接顶为0～2.8 m的层理发育砂质泥岩,老顶为3 m ～6 m的细砂岩,底板为细砂岩和泥岩,其顶底板岩层情况如表1所示。

表1 顶底板岩层情况Table1 Roof and floor strata

2 地质力学测试

在李雅庄矿六采区进行了3个测站的地质力学测试:第一测站位于2-6091系统巷80 m处;第二测站位于六采区轨道下山巷2 200 m处;第三测站位于2-6081巷。第二测站位于2#煤层上方2.1 m处,第三测站位于2#煤层中,选择第三测站地质力学参数指导6071巷支护参数设计。测站具体位置见图1。

图1 地质力学测站位置示意图Fig.1 The location of the geo-mechanical survey stations

通过测站的数据可知:

1)顶板岩层结构情况:①0～4.0 m为粉砂岩,灰色,裂隙发育,0.3 m ～0.5 m和2.7 m ～3.3 m处为纵向裂隙,1.1 m和1.4 m处裂隙明显,岩层完整性较差;②4.0 m ～7.2 m为细砂岩,灰色,4.0 m ～4.6 m处为纵向裂隙,4.6 m ～5.5 m处该段岩层完整,5.5 m处裂隙明显,5.5 m ～6.5 m处该段岩层完整,6.5 m ～6.8 m处破碎;③7.2 m ～9.7 m为砂质泥岩,灰色,7.2 m ～8.4 m处裂隙发育,岩层完整性差,8.4 m ～9.5 m处该段岩层较完整,9.5 m ～9.7 m为煤线;④9.7 m ～10.6 m为砂岩,灰白色,裂隙发育,岩层完整性较差。

2)通过围岩强度测试可得:2号煤层顶板以上0～4.0 m为粉砂岩,岩层强度平均值为54.11 MPa,4.0 m ～7.2 m为细砂岩,岩层强度平均值为52.01 MPa,7.2 m ～9.7 m为砂质泥岩,岩层强度平均值为34.20 MPa,9.7 m～10.0 m为砂岩,岩层强度平均值为95.55 MPa。测站处2号煤煤体较完整,经计算煤体强度平均值为13.96 MPa。

3)通过地应力测量,初步分析2-6071巷附近应力场属于σV>σH>σh型应力场。

3 锚杆支护参数的选取

3.1 锚杆预应力F

为了分析预应力对支护效果的影响,根据矿井实际资料,选择锚杆预应力F分别为20 kN(低)、100 kN(高)下进行分析,图2为各自条件下形成的附加应力场。

2-a F=20 kN

2-b F=100 kN图2 不同预应力F下的附加应力场分布Fig.2 Distribution of additional stress field under different pre-stress F

在锚杆支护系统中,预应力是影响支护效果好坏最关键的参数。通过比对图2-a和图2-b,可以看出,预应力大小锚杆附加应力场分布有着明显地影响。图2-a中预应力过低,其对应的附加应力场整体值过低,所对应的压应力的影响区域过小,使之有效压应力区域不能形成一个整体存在;而图2-b中预应力高,其对应的附加应力场整体值高,所对应的压应力的影响区域大,造成有效压应力区构成一个整体,影响了整个顶板,这样完全地运用了锚杆的主动支护。因此,为了保证支护效果良好,其锚杆预应力F的最佳区间为:[30%σs,50%σs],其中σs表示锚杆杆体的材料屈服强度。

3.2 锚杆长度L

不同锚杆长度L分别为1.8 m、2.4 m、2.8 m时,其形成的附加应力场见图3。

图3 不同锚杆长度L下的附加应力场分布Fig.3 Distribution of additional stress field under different boltlength L

对比分析图3-a、图3-b和图3-c可得出:随着锚杆长度L变大,锚杆作用范围扩大,即其对应的压应力影响的区域与厚度变大;但随着L进一步的变大,锚杆的中上部及两锚杆之间中部围岩的压应力在减小,这表明当预应力F固定时,锚杆L越长,预应力的影响越弱,越不能利用锚杆的主动支护,即当锚杆L越长时,为保证其支护效果良好,其对应的锚杆预应力F也越大。因此,要综合考虑锚杆预应力、强度来确定合适的锚杆长度L,这样才能形成有效的支护系统,确保井下安全工作。

3.3 锚杆密度(锚杆间距)

不同锚杆密度下(单根、间距1.4 m、间距1 m、间距0.8 m),其形成的附加应力场见图4。

通过分析图4-a、图4-b、图4-c和图4-d,可看出:当预应力保持固定时,单根锚杆的压应力分布呈“类似锥形”,即压应力在锚杆自由段中部较小、在锚固起始处附近次之、在锚固尾部附近最大,锚杆端部处于近零应力和较小的拉应力状态。锚杆量过于少时,单根锚杆形成的“类似锥形”压应力区域呈各自独立状态,无法形成整体,支护效果极差。随着锚杆密度增大,每个锚杆各自的“类似锥形”压应力区域逐渐靠近,其支护形态形成一个越来越稳固的整体支护结构,支护效果也越来越好,当锚杆密度达到临界值,其对有效压应力区扩大、锚杆预应力的扩散作用影响明显减弱,其支护效果反而降低。

图4 不同锚杆间距的附加应力场分布Fig.4 Distribution of additional stress field under different bolt intervals

3.4 锚固方式

不同锚固方式下(端部锚固、加长锚固、全长锚固),其形成的附加应力场见图5。

图5 不同锚固方式锚杆的附加应力场分布Fig.5 Distribution of additional stress field under different anchoragemodes

通过图5可以看出锚固方式对锚杆附加应力场分布有着明显地影响:图5-a的端部锚固压应力分布区大致呈“葫芦”型,即其预应力的影响区域较大,而锚杆自由段的中部压应力相对较小;图5-b的加长锚固压应力分布区大致呈“锥形”型,即对应的预应力影响区域比端部锚固小,对应的有效压应力区厚度小;图5-c的全长锚固压应力分布区大致呈“高脚杯”型,即相对端部锚固和加长锚固,其预应力影响区域与有效压应力区厚度最小;故端部锚固的效果最好。

3.5 锚杆角度α

与垂线不同的锚杆角度α分别为0°(垂直布置)、10°、30°时,其形成的附加应力场见图6。

图6 不同锚杆角度α的附加应力场分布Fig.6 Distribution of additional stress field under different bolt anglesα

由图6可明显看:α=0°(垂直布置)时,锚杆预应力影响的效果最好,即角锚杆与中部锚杆出现的有效压应力区域的叠加面积最大,对应的压应力分布均匀且区域的厚度大,基本上覆盖了95%以上的顶板锚固区;但是随着角度α的变大,角锚杆与中部锚杆组成的有效压应力区域不断分开,二者叠加的面积越来越小,当达到临界角度15°时,角锚杆与中部锚杆形成的压应力区明显分开,二者叠加的面积为零;继续加大锚杆角度α,角锚杆与中部锚杆变成各自独立的状态,支护效果越来越差。因此,在近水平煤层巷道中,最好垂直布置,在实际井下施工时,其最大角度≤10°。

3.6 钢护板的作用

有、无钢护板的锚杆支护附加应力分布见图7。从图中可得出:

1)有钢护板时,锚杆形成的有效压应力区在沿钢护板的方向呈明显增大的变化。在顶板表面附近,有效压应力区呈椭圆形分布,相互连接,形成连续的有效压应力带,预应力扩散范围大,锚杆能有效支护锚杆之间的围岩。

2)而无钢护板时,锚杆形成的有效压应力区是彼此独立的,相互不连接,锚杆之间的压应力很小,预应力扩散范围小,不能有效支护锚杆之间的围岩。

图7 有无钢护板的附加应力场分布Fig.7 Distribution of additional stress field with or without steel protective plate

3)钢护板可有效地对锚杆预应力进行扩散,明显增强了对锚杆之间围岩的支护作用,显著增强了支护系统的整体支护效果。

3.7 锚索的作用

锚杆与锚索支护、锚索支护下的附加应力场分布见图8。

图8 锚杆与锚索支护、锚索支护的附加应力场分布Fig.8 Distribution of additional stress field in boltcable support and cable support

由图8可明显看出,锚索的作用主要有两方面:

1)将深部围岩与锚杆支护形成的次生承载结构形成一个整体,提高其次生承载结构的稳定性,即更好地利用深部围岩的承载能力,使更大范围内的岩体共同承载支护。

2)锚索施加一定的预紧力,提供有效压应力(图8-b),与锚杆形成的压应力区形成整体的骨架网络结构(图8-a),保持围岩完整性,使围岩强度不降低。

4 相关支护参数

结合邻近巷道矿压数据、地质力学参数及2-6071巷实际情况,对2-6071巷进行具体的支护设计:其断面设计为矩形断面,掘宽5 m,掘高3.9 m,掘进断面19.5 m2。

4.1 顶板支护

1)锚杆每排布置6根,间排距为900 mm×900 mm;杆体为D22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋,长度2.5 m,钢材屈服强度为335 MPa,杆尾螺纹为M24,螺纹长度150 mm,配高强度螺母,预紧扭矩不低于300 Nm;采用一支规格为CK2340,另一支规格为Z2360;钻孔直径为28 mm,锚固长度为1 370 mm。

2)托板采用拱型高强度托,规格为:150 mm×150 mm×8 mm,托板高不低于38 mm,力学性能与杆体相匹配,配调心球垫和减摩垫圈;单体锚杆配W钢护板,规格为厚度4 mm,宽280 mm,长度450 mm。

3)锚索每排布置3根,间排距1 500 mm×1 800 mm,锚索安装在两排锚杆间顶板中部;锚索材料为D21.6 mm,1×7股高强度低松弛预应力钢绞线,长度6.3 m;锚索张拉预紧力不低于160 kN;钻孔直径为28 mm,采用1支KC2340和2支Z2360树脂锚固剂锚固,锚固长度2 192 mm;采用300 mm×300 mm×14 mm拱形高强锚索托板,托板高不低于60 mm,配调心球垫。

4)锚杆、锚索角度要求沿帮部法线方向施工(包括肩角、底角锚杆),误差不得大于5°。

4.2 巷帮支护

1)锚杆每排布置3根,间排距为800 mm×900 mm;其他设计参数和顶板支护的均一致。

2)煤柱侧帮部施工锚索,锚索为“一·二”布置,排距1 800 mm,2根时间距为1 500 mm,1根时布置在帮中部。

5 结束语

通过李雅庄矿邻近巷道矿压数据及FLAC3D数值模拟,得出了2-6071巷锚杆相关支护参数设计原则与范围,并结合邻近巷道矿压数据、地质力学参数及2-6071巷实际情况给出了具体的2-6071巷支护参数。由于2-6071巷暂时不具备矿压监测条件,故锚杆支护参数设计为初始设计。