大倾角极近煤层群大跨度切眼全锚索支护技术.pdf
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1、为解决大倾角极近煤层群大跨度切眼支护难题,以潘二矿潘四东井 工作面切眼为工程背景,基于普氏理论与改进的全冒落拱高度计算方法得出可能的冒落高度分别为 和 ,并采用钻孔窥视的方法进行了顶板岩性分布特征探测。据此提出了切眼梯级全锚索支护技术,并分析了其支护机理:应用 短锚索加长锚固预紧力损失率较低的特性,大幅提高支护结构早期支护强度与刚度,控制岩层离层、错动及新裂隙的产生;应用 加长锚索,利用其自由段弹性变形,与顶板变形释放相耦合;应用 超长组合锚索,建立浅部支护与深部锚固的力学联系,结合单体顺山棚被动支护实现切眼顶板支护安全保障。研究提出了切眼梯级全锚索支护技术方案,并采用数值模拟、矿压观测等方法
2、进行了支护效果评价,结果表明,采用梯级全锚索支护技术能够有效控制大倾角极近煤层群大跨度切眼的围岩变形,满足了 工作面切眼的正常使用要求。关键词:大倾角;煤层群;切眼;冒落拱;全锚索中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:;复合顶板巷道是指巷道顶板由多层薄层非均质岩层组成的结构,一般含煤线,含数层软弱夹层,各分层间黏结力较弱甚至无黏聚力,当巷道围岩变形时,顶板易发生层间滑动和离层,难以形成承载结构,巷道维护极为困难。针对复合顶板巷道国内外科研工作者展开了一系列的研究。单永泉 以布 年第 期李军,等:大倾角极近煤层群大跨度切眼全锚索支护技术第 卷尔台煤矿 切眼为研究对象,通过理论计
3、算、数值模拟和现场观测确定了合理的锚杆索支护参数;王凯 等以邱集煤矿 工作面开切眼为研究对象,采用“吊环吊梁 顶锚索 帮锚杆 金属网”联合支护形式取得了较好的支护效果;李延军 基于数值模拟、理论分析、现场监测方法,确定了支护的关键部位,提出了左旋螺纹钢锚杆 金属网 金属梁 锚索的联合支护技术,满足了安全生产要求;刘治成等 基于 弹性夹层理论建立了复合顶板弹性夹层组合梁力学模型,得到了复合顶板极限跨距的计算公式,并应用了“强力锚杆锚索 单体支柱”为核心的支护方案,有效控制了大跨度复合顶板开切眼围岩变;崔千里 采用围岩钻孔观测和理论计算的方法,分析了切眼围岩破坏特征及裂隙发育规律,建立了顶板失稳模
4、型,提出并成功实施了高预应力锚杆锚索组合支护技术。由此可见,目前大多数专家学者的研究主要集中在复合顶板条件下的大跨度开切眼支护问题,对于大倾角、极近煤层群条件下的大跨度的切眼巷道支护问题研究不多。本文以淮南矿区潘二煤矿潘四东井为研究对象,结合实际生产地质条件,研究了切眼的破坏特征及裂隙发育规律,据此提出了全断面锚索顶板支护技术,并进行了现场工业性实践,取得了较好的支护效果。工程概况潘二矿潘四东井 工作面地质构造极为复杂,计划回采的 煤层倾角 ,平均 ,切眼底板标高为 。煤直接顶为厚 的泥岩,其上为 煤均厚 。组煤层均呈碎块状、粉末状,松软易片,煤的坚固性系数为 。煤伪顶为厚 的炭质泥岩,裂隙发
5、育,岩性破碎,直接顶为厚 的砂质泥岩,裂隙发育,岩性破碎。工作面切眼地质剖面如图 所示。工作面东部为原 工作面,该工作面于 年回采 ,但因工作面片帮漏顶严重,被迫提前收作、封闭。为缓解矿井接替紧张,计划对该工作面启封,重新施工切眼对外段进行回采,距原 工作面收作线平距约 。大断面切眼冒落控制技术 工作面新切眼倾角平均 ,局部区段达 ,切眼顶底板多煤层极近发育,岩性以破碎的泥岩或砂质泥岩构成,且切眼断面达到 。受切眼上述关键地质条件影响,顶板可能的冒图 工作面切眼地质剖面 落高度将远远大于常规地质条件下的巷道 ,稳定性控制难度极大,是切眼施工过程中的重大危险源之一。因此,科学合理的确定切眼可能的
6、冒落拱高度,据此确定是关系到锚杆支护工程成败的关键。普氏理论计算结果普氏理论(自然平衡拱理论)认为冒落拱形状为抛物线,冒落拱的高度与巷道开挖宽度和围岩性质有关,在实际工程中获得了广泛应用,近年来也用来计算巷道顶板冒落拱高度。冒落拱高度计算公式为:()由于普氏理论是基于松散介质提出的,只有在断裂破碎带或强风化带的情况才接近这种假设。由于 工作面新切眼顶板围岩极为破碎,可大致采用该方法进行计算,大致得到冒落拱高度以供参考。对于层状岩体而言,各层岩石值不同,导致冒落拱高度无法有效判定,此处考虑岩层厚度,采用加权平均的方法确定 值。()冒落拱的曲线方程为:()式中,为各岩层厚度;为各岩层坚固性系数。本
7、切眼顶板岩性及厚度如图 所示。由此可得,基于普氏理论的冒落拱高度为 。岩体全冒落高度计算结果大量的煤矿井下工程实践表明,冒落拱并不是严格遵守抛物线的规律,而是从巷道伪顶或直接顶逐层向上发展,各层冒落拱形状和高度各不相同,下部岩层垮落后的宽度是上部岩层冒落的跨距,由此形成反台阶式的形态,下部岩层的垮落形态和高度 年第 期能源与环保第 卷图 冒落拱计算模型 严重影响上部岩层。基于普氏理论存在的问题,文献 推导了基于普氏理论的水平层状岩体全冒落高度计算公式,其假设在每层岩层中冒落拱为完整的抛物线,逐层分层冒落,随着冒落拱高度向上发展,冒落的跨距不断减小,巷道两侧岩体的冒落形状为部分抛物线。冒落拱在第
8、层停止冒落的判断依据为:()层状岩体冒落拱高度分层计算公式为:()根据 工作面新切眼顶板发育情况,代入相关数值可得,。根据停止冒落的判断依据,可以计算得出冒落拱将在第 层砂质泥岩层位停止冒落。则分层最大冒落高度 为 。切眼顶板冒落拱全锚索控制机理为了摸清顶板岩性,确定锚索合理支护参数,采用高清工业内窥镜在切眼掘进面进行了钻孔窥视,如图 所示。切眼顶板由于直接顶泥岩破碎,顶板向上 为 煤,为泥岩夹矸,为 煤,为炭质泥岩与煤线互层,至孔底为砂质泥岩。根据钻孔探测结果,锚杆锚固段将位于 煤层中,严重影响内锚效果,同时,根据普氏冒落拱和层状全冒落拱计算结果,可能的冒落高度分别达到了 和 ,锚杆支护已不
9、适用于切眼支护,据此提出了切眼梯级全锚索支护方案 。梯级全锚索支护,即采用不同长度的锚索实现不同层位岩体内的锚固,形成梯级锚索支护结构。其主要支护机理为:利用 短锚索自由段较小,预紧力损失率较低的特性,并配合钢带、调斜大垫板等形成点面支护,大幅度提高支护结图 巷道顶板钻孔窥视 构的早期支护强度与刚度,控制岩层节理面及层理面的离层、错动及新裂隙的产生,并实现预应力的有效扩散;利用 的加长锚索,使其锚固段位于岩层弹性范围内,利用其自由段弹性变形,更好适应复合软岩巷道释放的变形,充分发挥长锚索悬吊作用;利用巷中布置的 排 超长锚索,结合工字钢组合支护,建立浅部支护与深部锚固的力学联系,实现对大断面切
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