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      高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)應用研究

      2022-01-15 04:41:02畢璐璐
      山東煤炭科技 2021年12期
      關(guān)鍵詞:網(wǎng)索采區(qū)高強

      畢璐璐

      (山西高平科興米山煤業(yè)有限公司,山西 高平 046700)

      1 工程概況

      山西高平米山煤礦開采15#煤層,平均埋深約200 m,平均厚度2.96 m,傾角3°~8°。15#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層,煤層結(jié)構(gòu)簡單,僅局部含少量夾矸,其頂板為K2 灰?guī)r、泥巖等,底板為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖等。15#煤層的綜合地質(zhì)柱狀圖如圖1。

      圖1 15#煤層綜合地質(zhì)柱狀圖

      目前,一采區(qū)的資源基本回收完畢,為確保生產(chǎn)接替有序,開始布置二采區(qū)運輸巷。二采區(qū)運輸巷呈南北走向布置,其北為三條大巷,以西為二采區(qū)回風巷,兩者間的保護煤柱寬30 m,以東為未開采實體煤,井下相對位置如圖2。二采區(qū)運輸巷沿15#煤層頂板掘進,矩形斷面,凈寬5.3 m,凈高3.0 m。

      圖2 井下相對位置示意圖

      此前,15#煤層的巷道支護主要采用架棚支護,不僅巷道掘進成巷速度慢、工人勞動強度大,而且部分巷道在強采動影響下表現(xiàn)為非線性大變形破壞,嚴重制約井下安全高效生產(chǎn)。

      2 高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)

      根據(jù)15#煤層巷道架棚支護存在的問題,結(jié)合二采區(qū)運輸巷的工程地質(zhì)條件,提出了以“高強協(xié)同、高預應力”為核心的錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)。通過錨桿索的高預應力、高強主動支護,可有效減小支護密度,縮減施工時間,提高成巷速度,降低工人勞動強度。

      2.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

      (1)高強支護。在選材上錨桿采用左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿,直徑20 mm,屈服強度不小于400 MPa,極限破斷載荷不低于217 kN,并配套高強托盤和高強螺母,提高主動支護系統(tǒng)的整體剛度;在技術(shù)上采用樹脂加長錨固,增加錨桿錨固黏結(jié)長度,提高整個錨固系統(tǒng)剛度[1],從而增強錨固區(qū)域的抗變形能力,實現(xiàn)錨桿高強支護。

      (2)高預應力。只有對錨桿施加足夠大的預緊力,才能有效改善圍巖力學性能,控制圍巖內(nèi)部裂紋的萌生發(fā)育,真正實現(xiàn)錨桿的高強主動支護[2-3]。為確保二采區(qū)運輸巷錨桿的高強主動支護,頂板錨桿的安裝預緊扭矩不小于350 N·m(實測預緊力為58 kN 左右),兩幫安裝預緊扭矩不小于200 N·m(實測預緊力為30 kN 左右)。

      (3)協(xié)同支護。錨桿支護僅可控制其長度范圍內(nèi)的淺部圍巖變形,對深部圍巖的作用影響較小[4-5]。為保證巷道圍巖的長期穩(wěn)定,選用直徑為17.8 mm 的1×7 股高強度、低松弛鋼絞線錨索,極限破斷載荷353 kN,將深部圍巖與淺部圍巖有機結(jié)合起來,形成更大范圍的復合錨固承載結(jié)構(gòu),確保深部圍巖與淺部圍巖的變形協(xié)同。

      2.2 圍巖控制方案

      (1)頂板高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護

      每排布置5 根MSGLW400 左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿,規(guī)格Ф20 mm×2200 mm,配150 mm×150 mm×10 mm 穹形高強鋼制托盤和高強螺母,間排距1200 mm×1300 mm;每根錨桿采用MSK2335 型和MSZ2360 型樹脂錨固劑各1 卷,錨固長度1.3 m,預緊扭矩不小于350 N·m。錨桿鋼帶選用寬80 mm、厚4 mm 的平鋼帶,限位孔中心距1200 mm;金屬網(wǎng)由Ф4 mm 冷拔鋼筋焊接而成,網(wǎng)孔規(guī)格80 mm×80 mm。

      頂板錨索采用1×7 股高強度低松弛鋼絞線錨索,規(guī)格為Ф17.8 mm×6300 mm,配300 mm×300 mm×15 mm 穹形高強鋼制托盤和配套鎖具,每排2 根,間排距2400 mm×5000 mm。每根錨索采用MSK2335 型樹脂錨固劑1 卷,MSZ2360型2 卷,錨固長度1.75 m,要求初始張拉力150 kN,損失后不小于120 kN。

      (2)幫部高預應力高強錨網(wǎng)主動支護

      每幫每排布置3 根Ф20 mm×2200 mm 的MSGLW400 高強螺紋鋼錨桿, 同樣配套150 mm×150 mm×10 mm 穹形高強鋼制托盤和高強螺母,間排距1200 mm×1300 mm。錨桿錨固劑用量同頂板錨桿,預緊扭矩不小于200 N·m。鋼帶和金屬網(wǎng)的規(guī)格參數(shù)同頂板。

      二采區(qū)運輸巷為整個采區(qū)服務,服務年限較長,對表面進行噴射混凝土支護,混凝土強度標號C20,噴層厚度不小于100 mm。二采區(qū)運輸巷支護斷面圖如圖3。

      圖3 二采區(qū)運輸巷支護斷面圖(mm)

      3 現(xiàn)場工業(yè)試驗

      3.1 支護效果分析

      為檢驗高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)的實施效果,布置多個觀測站對二采區(qū)運輸巷表面位移進行監(jiān)測,其中具有代表性測站2的位移曲線如圖4。

      根據(jù)圖4 可知,巷道掘出以后,圍巖體開挖卸荷發(fā)生塑性變形。高強錨網(wǎng)索支護后圍巖變形迅速趨于穩(wěn)定,頂?shù)装逡平冃畏€(wěn)定在22 mm 左右,兩幫移近變形穩(wěn)定在16 mm 左右,表明高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)應用成效顯著,可保證巷道圍巖長期穩(wěn)定。

      圖4 巷道表面位移曲線

      3.2 掘進效率分析

      二采區(qū)運輸巷的掘進工作采用“三八”制,兩班生產(chǎn)掘進,一班運料檢修。每個生產(chǎn)班可完成2.5~3 循環(huán),循環(huán)進尺2 m,日進尺10~12 m,較原架棚支護日進尺6~9 m 的掘進效率得到顯著提升,同時工人的勞動強度也明顯降低。

      4 結(jié)論

      (1)提出了高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù),進一步明確了“高強支護、高預應力、協(xié)同支護”為核心的關(guān)鍵支護技術(shù)要點。

      (2)現(xiàn)場工業(yè)試驗表明,高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)應用成效顯著:巷道頂?shù)装逡平冃巫罱K穩(wěn)定在22 mm 左右,兩幫移近變形穩(wěn)定在16 mm 左右,圍巖變形得到有效控制;掘進成巷日進尺10~12 m,較原架棚支護日進尺6~9 m 的掘進效率得到顯著提升。

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