高强让压支护技术

1、深井高地应力综放巷道高强让压支护技术高法民 李廷文（山东肥城矿业集团公司梁宝寺能源有限责任公司 山东嘉祥 272404）摘要：梁宝寺煤矿位于巨野煤田北部，其煤层埋藏深、松散层厚、地应力大、煤层破碎、巷道沿底掘进支护难度大。本文分析研究了综放顺槽预应力组合支护的机理，并针对其实际情况研发制定了高强预应力让压锚杆、高强锚索、W钢带、冷拔钢筋网组合支护方式，在3305工作面顺槽进行了试验和应用，取得了良好的支护效果，高强让压支护技术是解决深井高地应力综放巷道支护难题的有效途径。关键词：深井 预应力 让压 组合支护1 概述1.1概况巨野煤田梁宝寺煤矿设计生产能力240万t/a，是巨野煤田首期投产的第一

2、对矿井。矿井地质构造复杂，褶曲、断裂构造发育，动力显现明显。现回采的3300采区埋深8701090米，为一盆地结构，回采煤层3煤煤层厚度平均7m，煤层倾角511°，煤层普氏硬度f=0.941.89，煤层节理发育。其深部首采工作面3305工作面从盆地一侧穿过，由于地应力、构造应力的共同作用，巷道支护难度大，针对其实际情况采用高强预应力让压锚杆、高强锚索、W钢带、冷拔钢筋网组合支护方式，成功解决了深井高地应力综放巷道支护难题，取得了良好的支护效果。1.2地质概况梁宝寺煤矿其煤层顶底板特征如下： 老顶：粗、细砂岩，层厚8.6 m，浅灰灰白色，以石英长石为主，钙质胶结。直接顶；泥质粉砂岩、炭

3、质页岩和煤线组成的复合顶板，层厚4.25 m，巷道顶煤厚度3.55.5m。工作面巷道采用定向布置，放顶煤开采。1.3 巷道支护条件与特点3305工作面属于深井复合顶板综放开采，其两顺槽巷道支护条件有以下特点：工作面埋深8701090米，地应力较大，“煤炮”频繁发生，对巷道支护和维护不利。 3采区为一盆地构造，煤层节理发育、较破碎。3305工作面从盆地一侧穿过，受构造应力影响较大。工作面顶板是由泥质粉砂岩、炭质页岩和煤线组成的复合顶板，厚度约为26m，平均厚度为4.25m，顶板软弱破碎，岩体强度较低。工作面煤层厚度约为6.59m，综放回采巷道沿底板布置，巷道围岩均为煤体，顶板又是复合顶板，围岩组

4、分极为特殊，围岩应力分布不均衡。煤层上方有两层含水层，随着采动的影响，裂隙进一步发育，含水层水通过裂隙向巷道围岩渗入，使得围岩强度尤其是复合顶板强度进一步弱化，极易发生离层，给顶板控制和巷道支护、维护带来很大的困难。巷道断面大:宽×高=4600×3300mm。2 支护技术方案及机理分析2.1巷道支护方案根据围岩特征、地应力及巷道断面大小、形状，确定巷道支护设计方案为：高强预应力可变形让压锚杆、高强度预应力锚索支护技术方案，表面控制采用W钢带和钢筋网片。如图1为支护断面图。图1 3305顺槽支护断面图2.2锚杆锚索支护系统作用机理分析梁宝寺煤矿3305综放开采工作面具有深井高

5、应力、动力显现明显、复合顶板、围岩破碎、构造复杂等特点。经综合研究与分析，支护方式采用悬吊理论、组合梁理论以及围岩关键承载圈理论相结合的方法及高预应力承载理论相结合的方法。选择的支护系统以解决上述问题为原则。最终目标是：安全、高效、快速、经济。（1）高强预应力可变形让压锚杆可有效提高围岩的残余强度，充分发挥围岩自身承载能力。锚杆与其锚固范围内的组合体构成一种锚固支护体，在锚杆的反向载荷与约束下，使塑性破坏后易于松动的煤岩体形成具有一定承载能力并可适应围岩变形的组合支护圈层，从而提高顶板的整体性，阻止松动圈发展和顶板离层。从巷道纵向看，锚杆支护形成的组合梁是掘进迎头空顶上方顶板自稳的基础。巷道受

6、力分析示意图如图22所示。（2）锚索支护系统是一种控制巷道顶板弯曲变形的柔性挤压支护体系，主要对锚杆组合拱起悬吊作用，该结构不禁通过对顶板进行挤压加固，增强了围岩的自承能力，限制巷道顶板的变形。而且根据悬吊理论用锚索将预应力锚杆形成的组合梁固定在稳定老顶上，将顶板围岩的受力延伸到巷道两侧，扩大了受力范围，控制了来自顶板的剪切力，分解了顶板的作用力。图2 锚杆锚索系统力的作用示意图（3）表面控制：由于顶煤和煤帮严重受裂隙切割，具有软岩巷道的性质，为了增加支护系统的整体性，表面控制至关重要，为此，在巷道支护过程中顶板及两帮采用高强W钢带加焊接冷拔钢筋网片贴紧煤壁护顶护帮，防止围岩破碎、松散、冒落。

7、3 巷道支护参数及施工3.1高强预应力可变形让压锚杆锚杆长度：合理的锚杆长度应该确保锚杆锚固到松散塑性圈以外。根据有限元分析计算现场支护试验观测和松散塑性圈测试，锚杆长度定为2400mm。锚杆材质和直径：Q500左旋无纵筋螺纹钢，直径20mm，屈服强度16T，抗拉强度22T。锚杆安装应力：锚杆安装应力是一项很重要的指标，它可以防止顶板离层发生，增加顶板支护煤层内摩擦力和内摩擦角，从而提高围岩自承载能力，减少或消除顶板中的拉应力，增强组合梁的整体强度。经FEM分析和现场试验，提高安装应力可以减小或消除顶板中的拉应力区，可以消除顶板岩层的离层，从而取得最佳梁的效果。实验表明：当锚杆的安装应力达到4

8、吨时，顶板岩层的离层完全消除，由此确定锚杆安装应力不小于4T，锚固力不小于22T。锚杆间排距900×1000mm，顶板两肩锚杆与顶板成45º夹角，两底角锚杆与巷帮成75°夹角。3.2高强预应力锚索锚索的主要作用是悬吊顶板，同时锚索可以施加一定要求的预应力，一定数量的锚索对于控制破碎顶板、复合顶板和高地应力情况下的巷道变形是非常必要的。经过有限元分析分析计算，3305顺槽锚索采用每排3根的方式布置。两帮在巷道顶板以下2.0m位置处每隔2.4m打设一根锚索，锚索采用直径17.8mm，长度为8m。锚索预应力不小于18T，锚索锚固力35T。3.3表面控制有效的表面控制系统

9、应保证无片帮和漏顶现象，并可以增加支护系统的受力面积，提高支护系统的整体性。顶板钢带：W钢带可以把锚杆联结成为一个整体，并具有很好的表面控制效果。采用高强W钢带，型号为JDW270-2.75。焊接金属网：焊接冷拔钢筋网不仅具有防止漏矸、漏顶，而且其自身的刚性还可以控制两帮变形，并可以与锚杆、钢带形成一个整体，增加了支护系统的整体性。3.4 锚杆让压装置对于深部有动力现象的巷道支护来说，锚杆易破断，为缓解巷道作用在锚杆上的力，防止支护失效。3305工作面巷道顶板及两帮锚杆都安装上了让压装置让压管。为了有效合理的发挥锚杆的支护效果，让压装置起到让压保护的作用，根据锚杆的实际屈服载荷确定让压管让压点

10、载荷略小于锚杆的实际屈服载荷，由此确定了让压管的让压点载荷即让压点为1617吨。为充分发挥锚杆的挤压组合支护作用，确保巷道的有效支护效果，根据有限元分析计算、试验室测试和现场测试，确定了让压管的“让压距离”为20mm，达到均匀让压的目的。通过现场实际测试与观测表明：所选用的锚杆让压管很好地控制了巷道变形，实现了有控制均匀让压，保护了锚杆，确保了锚杆正常工作。3.6 施工为了防止发生冲击地压，采取超前放炮解围的措施。卸压方法：迎头打3个眼，正三角布置，眼距400mm，眼深8m，装药4.0m长，卸压炮始终超前工作面迎头35m。施工中严抓锚杆支护巷道的两个质量三个环节：两个质量：一是锚杆、锚索、药卷

11、材料质量；锚杆、锚索、药卷直径、长度、强度、材质必须合格，拉拔试验合格。药卷：质量、速度、长度标注明确，必须合格，必须做到一批一抽检，一万块一抽检。二是锚杆、锚索安设质量。三个环节：一是锚杆的角度：锚杆与岩面的角度大于750 ，呈放射状布置。二是药卷的长度：锚杆使用2块长度为500mm的k2350药卷，锚索使用4块长度为500mm的k2350药卷。不能少使药卷，锚杆达到准全长锚固。三是锚杆的初锚力不小于4t，锚杆锚固力120kN；锚索的初锚力不小于18t；锚索锚固力不小于300KN。锚杆采用加力器提高安装应力。4 巷道支护效果及矿压观测成果4.1巷道矿压观测为了检验该支护系统的效果，在3305

12、皮带顺槽布置了6个观测断面，在3305轨道顺槽布置了6个观测断面。观测的主要内容是：锚杆受力监测和巷道位移观测。经过分析：锚杆的安装应力大于4吨，锚杆载荷在一天之内载荷迅速增加，高安装应力和锚杆载荷的迅速增加充分控制了顶板的早期变形破坏，防止离层的发生。锚杆载荷在6天内基本达到稳定，顶锚杆的最大载荷为12吨。巷道开挖后2-4天，顶底板移近速度呈快速增长趋势，顶底板移近量迅速增加，从4-7天，变形速度开始迅速减小，顶板变形向稳定过渡，巷道变形稳定后，顶底板移近量平均为80毫米，最大移近量为150毫米。巷道开挖后2天内，顶底板移近速度呈快速增长趋势，两帮移近量迅速增加。从2-6天，变形速度开始迅速

13、减小，顶板变形向稳定过渡。巷道变形稳定后，两帮移近量平均为150毫米，最大移近量为250毫米。顶板离层量由顶板下部、中部、上部依次递减的，顶板下部的离层量最大，但是短时间内达到最大值以后便不再增高。顶板下部的最大离层量为120mm。4.2回采期间顶板离层动态观测回采期间巷道锚杆的受力从距工作面80m开始增加，并随工作面向前推进逐渐增大，这与巷道两帮移近量、顶板下沉量、底板底鼓量是一致的。当距工作面515m时，锚杆受力达到最大值，顶帮让压装置30以上发生严重变形，超前工作面515m让压管压缩。5 结 论(1)高安装应力即锚杆的初锚力是控制围岩离层的关键，锚杆安装时必须达到150N.m预紧力，提高围岩的自承能力，增强组合梁的整体强度，避免岩体松动和塑性松动圈的增大。(2)可控让压技术的应用，使得让压管既保护了锚杆在围岩高应力状态时被拉断，又能与岩体一起产生少量的位移，释放部分能量。既保持岩体受力平衡，又保持支护结构不失稳。(3)锚杆、锚索、药卷、锚杆眼的三径匹配是支护可靠的关键，锚杆“让压点”和“让压距离”的合理与否应根据不同围岩条件试验确定。该支护技术确保了深井高地应力综放顺槽的有效支护，实现了高地应力放顶煤开采，大大提高了煤炭产量，大大缓解采场接续紧张