孤岛工作面顺槽防冲耦合让压支护技术研究.pdf

2 0 1 2年第 4期 煤矿支护 1 石 家 庄中 煤 杯 参 评 论 文 孤 岛工作面顺槽 防冲耦合让压支护技术研 究 陈东印 谈 力 王亚 杰 捷马 济宁 矿山支护设备制造有 限公 司 山东 济 宁 2 7 2 0 0 0 摘 要 针对南屯煤矿具有强 中倾 向的 7 3 2 3孤 岛工作面顺槽的实际情况 采用 数 值计 算 的方法确 定 了顺槽 易发 生冲 击地压 的 区域 并 确定 了危 险的等 级 根 据 此 顺槽 的特 殊地 质 与采矿 条件 设 计 了防冲 耦合让 压 支护 系统对 此 工作面 顺槽进 行 了 支 护试 验 试 验 巷 道 选 用 直 径 2 2 mm 的 高 强 耦 合 让 压 锚 杆 让 压 压 力 1 2 0 1 5 0 k N 和直 径 1 7 8 ram 耦合 让压 鸟 窝 锚 索 让 压压 力 2 1 0 2 5 0 k N 设 计预 应力分别为 6 0 k N和 1 2 0 k N 监测 的试验巷道顶板最大下沉量 6 2 ram 两帮最大相 对移近量 2 0 6 mm 工作面在回采过程 中出现 了应力集 中现象 未发 生冲击地压 的 灾 害 试 验表 明 此 防冲耦 合让压 支 护 系统 适 应此 防冲支 护 的要求 实 现 了顺 槽 的 成 功支护 关键 词 孤 岛工作 面 耦合 让压 冲 击地压 乌 窝锚 索 1 概述 1 1地质 采矿条件 南屯 煤矿 七 采 区 7 3 E 2 3工 作 面 位 于 七 采区北部 工作面北邻 7 3 上2 5工作 面采空 区 东部为九采三分 区南部回风巷 南部为 7 3 上2 1 东 工作 面采 空区 西为 7 3 上2 1 工作面采 空 区 本工 作 面设计 开采 3 上煤 层 该 工 作 面 范 围 内 3 上 煤 层 赋 存 稳 定 煤层 的厚 度在 1 5 0 6 0 m 之 间 平 均 厚度 5 38 m 7 3 2 3 工 作 面 皮 带 顺 槽 荒 宽 为 4 9 0 0 mm 荒 高 为 3 5 0 0 mm 采 用 圆 弧 拱 断 面 此 区域地 质柱 状 图如 图 1 所 示 1 2 冲击地 压危 险性 评价 结论 根据数值分析及对 7 3 上2 3工作 面冲击 地压 危 险性 的 多 因素 评 价 对 危 险 区域 位 置 危险程度进行叠加 通过叠加分析 将 这 些危 险 区域 划 分为 两类 一般 危 险 区域 2 个 用浅 色表 示 即老顶 初 次来压 及上 部岩 层 周期断裂危 险区 高度危 险区域 4个用深 色表示 即单工作面见方 双工作面见方 断层危险区 煤柱危险区 如图 2所示 地 层 厚 柱状 屡 岩石 岩 性 描 述 层 1 2 0 0 号 名称 1 0 0 0 o o 0 2 8 3 煤 0 上 黑 色 半 亮 型 煤 质 较好 一 二 3 4 8 3 1 8 7 浅扶色细砂岩 泥质胶结 较 盎 1 7 7 6 4 细砂岩 硬 岩石酱氏硬度 4 5 t 系 6 2 7 1 1 0 灰色粉砂岩 禽 少量植物叶部化 山 3 2 9 5 粉砂岩 石碎片 岩石普 氏硬度 4 5 煤层结构简单 为 黑色半亮型 5 2 6 4 8 8 6 煤 3 块 状 结构 弱 玻 璃 光泽 夹 镜 豫 5 15 煤 条 带 煤层 普 氏硬 度 f 2 3 组 1 1 4 5 4 7 2 灰白色细砂岩 块状 含植物 8 1 3 7 细砂岩 化石 岩石普氏硬度 4 5 深灰色粉砂岩 夹细砂岩 薄膜 5 7 6 2 8 1 8 粉 砂岩 其水平层理 裂隙较发育 岩 4 7 1 石普氏硬度 5 6 图 1 7 3 2 3皮带顺槽地质柱状图 上 述 的 6个 危 险 区按 照 开 采 顺 序 依 次 为 第 一危 险 区 老 顶 初 次 来 压 危 险 区 2 煤矿 支护 2 0 1 2 年 第 4期 图 2 7 3 2 3工 作 面动 力灾 吾 危 险 区 划分 图 当工作面推进到距切眼 4 0 5 0 m 第二危险 区 单 工作 面 见方 危 险 区 工 作 面推 进 到 距 切 眼 9 O 1 3 0 m 第 三危 险 区 双工 作 面 见方危险 区 工作面推进到距切眼 2 0 0 3 0 0 m 第 四危 险 区 上 部 岩 层 周 期 断裂 区 危险区 工作 面推过 3 0 0 m 以后 第 五危 险区 煤柱危险区 第六危 险区 断层危 险 区 另外 该 工 作 面 为 不 对 称 孤 岛 面 工作 面 两 侧 的 覆岩 结 构 不 同 在 7 3 上2 1采 空 区一侧 上 覆岩层 完全 垮落 断 裂岩层 已 经 着矸 地表 已经 完全沉侔 因此 在这一 侧 煤柱上方 的支撑压力较小 而另一侧的高位 坚硬岩层并未断裂 其仍横跨于两侧的实体 煤 上方 则 其煤柱 上方 的支 撑压力 较 大 且 随着工作 面开采 覆岩 结构 将发 生变 化 容 易 引 起工 作 面 的动 力灾 害 因此 7 3 上 2 3工 作面皮带顺槽一侧 冲击危险性更大 2 耦 合支 护理 念及 防冲让 压 系统分 析 2 1耦合 支护 理念 耦合 支护包 括锚 杆 系统 和围岩耦 合 锚 索 系统和 围岩耦 合 锚杆 间耦 合及锚 杆 与锚 索 的耦合 锚杆系统和围岩耦合 锚杆支护系统的 支护强度和变形性能必须与围岩耦合 以达 到 围岩 的稳定 平衡 锚索 系统 和 围岩耦 合 锚索 系统作 为支 护体的一部 分 变形 性能也必须 与 围岩耦 合 以达到围岩的稳定平衡 锚杆间的耦合 由于顶板和两帮在不同 位 置 的锚杆 所 经 受 的位 移 和 应 力过 程不 同 所 以受 力差 别很 大 这有可 能造 成受 力大 的 锚 杆首 先破 断而将 其 本应承 担 的力传 递到邻 近 的锚 杆 造成 锚杆 依次顺 序破 断l 1 锚杆和锚索的耦合 锚杆和锚索间的变 形耦合也非常重要 从支护体本身来讲 锚 杆 和锚索 具有 如下 区别 延伸率 锚杆的延伸率远大于锚索的 延伸率 承载 能力 锚杆 的承 载能力 离远 小于 锚索的承载能力 支护 范 围 锚索 长度一 般来 说大 于锚 杆长度 如果在设计和使用过程 中应用不当 这 种差别会导致锚杆或锚索 由于变形协调不好 而破坏 尤其会 出现锚索大量破断现象 2 2 防冲让 压 支护 系统 分析 2 2 1 防冲 支 护系统 设计 的关键 因素 根据 7 3 E 2 3工 作 面 的 地 质 采 矿 条 件 顺槽在掘进和长壁工作面回采期间将经受较 大的应力和变形过程 同时 为冲击地压的 发 生创造 了客 观条件 顺槽 支护设 计 时不 仅要考虑巷道围岩大变形的特性 同时要求 锚 杆支 护系 统必 须具有 防 冲特性 因此作 为 防冲锚杆 锚 索支 护设 计必 须 考虑 以下 四个关 键 因素 锚杆 锚索支护系统的支护原理 巷 道 围岩应力 与变形 的关 系 支护系统工作特性与围岩应力 围岩 变形关系的耦合 防冲系 统 的灵 敏度 设计 与参 数选择 2 2 2 防冲 让压 系统分 析 冲击 地压 对 支 护 系统 产 生 强 烈 的 冲击 往往 造成 支护 系统 被 冲断 摧 毁 支护 系统 的设计 必须满 足下 列条 件 增加 支护 强度 由于冲击 地压所 产 生 的冲击效果难 以预料 目前还没有定量的计 算 方法 然 而支 护强度 设计 时必 须 比无 冲击 条 件下 的支 护强 度提 高 1 5 倍 提高支护系统对动压的适应性 尽管 支护 系统强 度增 加 了 然 而 瞬时 冲击地 压 所产生 的冲击力一般来说很难抗拒 所 以 必须采取适 当的防冲措施 使得冲击地压发 生时 防冲措施可以把瞬时冲击力缓解到支 护强 度之下 设 置 防 冲 系 统 应 实 现 如 下 两 个 方 面 目 2 0 1 2年第 4期 煤 矿支 护 3 标 当发生 冲击 地压 时 支护 系统 能够发 生灵 敏 的反应 使 支护 系统 在 冲击 波 产生 的 瞬 间做 出及时 响应 并保 证 支护 系统在 变形 过程 中仍 保持 在安 全可控 范 围 内 对 于锚杆 与锚 索 而言 就是 保证其 仍 在弹性 变形 范 围 内工 作 正常支护期间 通过合理的支护强度 与让压均压设计 使支护体系能够适应 围岩 应力 变形 的需要 保 证支 护体 系服 务期 内稳 定 并 有 效控 制 围岩 的变 形使 其满 足安 全生 产需 要 为实 现上述 防 冲让 均压耦 合 目标 需要 对支护体 系进行防 冲与 让压两个方 面的设 计 为锚杆设计 的防冲让均压耦合泡 如图 3所示 图 3锚 杆 防 冲 让 均 压 耦 合 泡 防冲让均压耦合泡的设计是以围岩应力 与变形 的关系以及支护系统的工况点等为基 础 防冲泡所起 的作用是适应 冲击 的需要 保证支护系统在弹性范围内工作 让压泡的 作用一是适应采动影响以及围岩应力过高时 起 到过 载保 护 二 是 保 证 支 护 系 统 受 力 均 匀 即均 压 其 工 作 原 理 示 意 图 如 图 4所 示 支 护 系统 的 正 常 工 况 点 在 D 点 如 发 生冲击地 压 巷道 的支护体 受力将急剧 上 升 此时让压耦合泡的作用就是随着冲击波 的发生 而 随 之 发 生 适 应 性 变 形 以保 护 支 护 体 同时要保证冲击波发生的瞬间 支护体 仍在弹性范围内而不至于因发生冲击而破坏 支 护 系 统 瞬 时 工 况 点 在 E点 支 护 系 统 仍在弹性范围内 支护系统的让压设计主要控制的参数是 让压点 让压稳定性与让压距离 在此不进 l I I 防冲锚杆 性 曲线 I 一 I l C 书 福 况 F 杆 特 性 曲 线 I 1 正 常 情 况 下 围 岩 应 力 一 形 特 性 曲 线 行 详 述 顶板位移 图 4 锚杆 防冲让压耦合泡工作原理 3支护 方案 与支护 参数 设计 3 1支护方 案 7 3 上2 3工作面皮 带顺槽设计采 用防 冲 耦 合 让 压 锚 杆 锚 索 及 金 属 网联 合 支 护 系 统 3 2支护参数设计 3 2 1 锚杆 采用 ANS YS模拟了不同锚杆预应力条 件 下 的 围岩 受力 状况 得 到锚 杆需施 加 的最 佳预应力值 利用库仑准则作为判定围岩破 坏 的依 据 同时结合工程 经验进行 综合分 析 确定支护参数 1 锚 杆 长度设 计 为了确定巷道锚杆长度 采用摩尔一库 仑 安 全系数 法 确 定 巷 道 围岩 的破 坏 范 围 3 摩 尔 一库仑 安 全系数 评价 公式 为 SF t g 3 t O1 式 中 一内摩擦角 d 1 一 最大 主应力 MP a 6 一 最小 主应力 MP a C 一 内聚力 MP a 对 于顶 板 当 S F 1 2时 认 为 顶 板 是 稳 定 的 对 于 两 帮 当 S F 1 0时 认 为 两 帮是稳定 的 根据 有 限元分 析结果 顶板 1 9 m 以上 的 S F 1 2即为稳 定 岩层 为把 锚 杆锚 固在 相对 稳定 的岩 层 中 确定 锚杆 长 4 煤 矿支 护 2 0 1 2年第 4期 度为 2 4 0 0 mm 2 锚 杆预应 力设 计 锚 杆 的预应 力是 发挥锚 杆支 护效 能 的关 键 其主要作用有如下两点 4 防 止顶板 岩层 产生离 层 减小或消除顶板岩层 中的拉应力区和 拉应 力值 经有 限元优 化计 算 确定锚 杆 的预应 力 值为 6 0 k N 锚索的预应力值 1 2 0 k N 为确 保锚 杆 的预应力 达到设 计要 求 施 工时采用机械式扭矩放大器 扭矩放大 3 5 倍 对锚杆进行紧固 3 锚杆直径的确定 依 据锚 杆安装 应力计 算结 果 锚 杆 的安 装 应力 不 应 大 于 锚 杆 屈 服 强 度 的 5 O 因 此 锚 杆 的 最 小 屈 服 强 度 1 2 0 k N 考 虑 施 工 及 成本 因素 选 择锚 杆 的直径 为 2 2 mm 长 为 2 4 0 0 mm 杆材为 QS 0 0钢 其锚杆屈服 强度大于 1 9 0 k N 考虑了防冲要求的 1 5 倍 的安全系数 抗拉强度大于 2 5 0 k N 4 锚 杆 间排距 的确定 有 限元 模拟 是按 lm 排距 计 算 的 并考 虑了必要的安全系数 为确保安全 在试验 阶段 设计 排距 9 0 0 mm 间距 8 2 5 mm 5 防冲耦合让压泡 在合理的锚杆长度 和安装应力条件下 锚杆支护系统将发挥其应有的作用并承受围 岩 的变形 载荷 然 而 部 分 围岩变形 是不 可 控 制 的 所 以锚杆 支护 系统必 须有 控制 让压 能 力 根据所 选用 的锚 杆强度 防冲耦 合让 压 泡 的 控 制 让 压 压 力 1 2 0 1 5 0 k N 长 度 7 0 mm 让压 距离 3 6 mm 6 配 件 为 满足 锚杆杆 体强 度及增 加 护表 面积 的 要求 锚杆采用面积较大 的 1 5 0 1 5 0 1 0 mm 托 盘 其强 度大 于 2 8 0 k N 锚杆配 套 阻尼 螺母 及 三明治 垫 圈 3 2 2锚 索 为适应地质条件的变化 采用快装耦合 让压 鸟窝 锚索作为辅助支护 设计锚 索 直径 为 1 7 8 ram 长 度 为 7 m 锚 索 强 度 大 于 3 6 0 k N 锚 索 配 置 3 0 0 3 0 0 1 2 mm 的 高强 球 型 托 盘 锚 索 布 置 在 两 排 锚 杆 的中间 排距 为 I 9 0 0 mm 锚索采用 防冲耦合 双泡 让压环 让 压压 力 2 1 0 2 5 0 k N 皮带顺槽支护方案如图 5所示 l 鱼 细砂岩 l 图 5 7 3 2 3皮 带顺槽支护断面图 4 皮 带顺 槽支 护效果 分析 7 3 上2 3工作面皮带顺槽试验段设置了 3 组观测站 主要监测 内容包括 巷道表面位 移监测 锚杆锚 固力 监测 锚 杆安装应 力 预应力 监 测 锚 杆 与 锚 索 受力 状 态 监 测 及 顶板 离层监 测 5个 方 面 1 锚杆 安装 应力监 测 为 确定锚 杆 的安装应 力 与安装 扭矩 的对 应关系 便 于井下锚杆 施工及安装 质量检 测 在 井下进 行 了安装应 力 与安装 扭矩 关系 试 验 锚杆安装应力与安装扭矩关系如图 6 所 示 当采用高强扭矩应力锚杆时 监测到锚 杆 的安装扭矩不小 于 2 5 0 N m 能满足设 计的锚 杆安 装应 力 6 0 k N左 右 的要求 2 锚 杆锚 固力监 测 在掘进期间对 1 O根锚杆进行了井下拉 拔 试验 锚 固力 达 到 1 8 0 k N 时 锚 杆 系统 均 未发生 破坏 图 7为 一个顶 板锚杆 的拉拔试 验 曲线 此 时锚 杆 预应 力 6 5 k N 锚 杆 的 屈 2 0 1 2年第 4 期 煤矿 支护 5 服强度 1 9 0 k N 锚杆在 拉拔过 程 中性 能很 稳 定 5 结 论 一 一 一 r 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 安装扭矩 N m 图 6锚杆安装应 力与安装扭矩关 系 Z 4 b n l U 1 l l Z l 1 4 l a lO l f l 1 9 Z U 拉拔 2 lO k N 图 7 锚杆拉拔试验拉力位移 曲线 3 巷道 表 面位移 监测 根据 三组 观测 站观 测到 的数据 知 皮带 顺 槽 在 整 个 服 务 期 间 顶 板 最 大 下 沉 量 6 2 ram 两 帮 的最大 相对 移 近量 2 0 6 mm 巷 道 的变形 主 要发 生 在 采 煤 工 作 面 回采 期 间 巷道的整体表现比较稳定 在掘进与回采期 间 巷道掘进迎头与采煤工作面的端头区域 煤炮 较多 矿压显现比较 明显 未形成 冲击 地压 灾 害 4 锚杆 受力 状态监 测 通过 三组 观测 站锚杆 与锚 索托 板压 力表 的 监 测 数 据 表 明 顶 板 锚 杆 的 最 大 拉 力 1 6 5 k N 两帮锚杆的最大拉力 1 4 5 k N 锚杆 未达 到 屈 服状 态 顶 板 锚 索 的最 大 拉 力 2 2 5 k N 大部分锚杆 锚索的让 压装置出现 了明显变形 说明锚杆 锚索的耦合让压设 计发 挥 了作用 5 顶板 离层 监测 通过窥孔仪在试验段对顶板 6个观测孔 进行 的 观 测 发 现 仅 个 别 点 出 现 了 1 0 1 5 mm的离 层 其 中浅 部 最 大 离层 9 ram 深部 最 大离层 7 ram 通 过 防冲耦 合让 压锚 杆 锚 索支 护 系统 的共 同作用 增 强 了巷 道 支 护 系 统 的 强 度 适 应 了 动 压 影 响 的要 求 通 过 提 高 高 强 锚 杆 锚索的预应力 以及巷道表面支护强度 提高了巷道的支护效果 巷道实现了一