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摘要:文章针对深部高应力区域的岩石巷道的支护结构作了专门的研究,基于锚杆支护设计理论和对已施工巷道支护效果的监测,确定了在深部高应力条件下的岩石巷道的锚网喷联合支护的主要支护参数,为相关支护设计提供了可靠的理论依据,对于类似地质条件下巷道围岩控制有一定的借鉴意义。
关键词:深部高应力;岩巷;锚杆支护;参数计算;围岩控制
中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0190-02
我国煤炭资源53%以上埋藏在700m以下,随着开采深度的增加,许多煤矿将进入1000m以下的开采深度。随着矿井的水平延深,开拓巷道服务年限的要求逐步提高,如何提高深部高应力巷道的支护效果,成了当前形势下研究的主要课题。
深部高应力巷道的主要问题是巷道支护困难,稳定性差。在这种条件下,林南仓矿根据自身的地质状况,充分研究了深部高应力条件下巷道的锚网喷支护技术,并有针对性地研究了适合林南仓矿地质状况的合理支护参数,有效地指导了设计和施工,确保了深部高应力条件巷道的稳定性。
一、工程概况
开滦集团林南仓矿现在的开采深度已经达到了-500水平,剩余的煤层埋藏较深,矿井延深工程基本在-650水平及以下水平,开拓工程将面临的是深部高应力条件下的巷道支护问题。
林南仓矿正在施工的延深巷道中的-650暗立井下车场,由于埋深较大,巷道周围岩体属于工程力学中的高应力区域,所受压力较大,巷道支护困难,严重影响了矿井的开拓进度。该巷道布置在煤12底板岩层中,该层位地质构造较为复杂,施工中遇到的伴生断层和小断层较多,有时会将顶板直接底断移至巷道中,巷道的支护难度较大。该层位为稳定性差,吸水易变软和膨胀,围岩节理发育,松散遇水膨胀,从而岩体局部较软,承载能力较低,对巷道的后期稳定造成了极大影响,属于稳定性较差或不稳定巷道。在这种情况下,如采用刚性金属支架支护,成本高,施工难度大,且承载能力不足以抵抗深部高应力的作用。应考虑采用主动支护方式,选用合理的锚喷联合支护结构和参数,充分调动围岩本身作为支护结构的组成部分,共同承受动压作用。其顶底板岩性柱状图如图1所示。
二、支护参数选择与确定原则
锚杆支护系统的设计取决于岩体抗压强度、材料特性、引发应力的大小和分布,以及巷道的允许变形程度和服务年限,巷道尺寸和形状等条件。同时,支护设计要以“新奥法”的施工思想为指导,根据施工地质条件不同,选择不同的支护参数。
锚杆支护系统设计和支护参数的确定,主要是指锚杆类型、间排距、长度、直径、锚固力。只有合理确定锚杆支护参数,才能获得锚杆支护在经济上和技术上的最佳效果。针对-650暗立井下车场工程地质实际情况,此巷道的支护参数设计可采用理论公式计算结合工程类比法来确定。
(一)断面形状
根据巷道运输要求,确定锚网支护条件下巷道断面为直墙半园拱形,宽5.00m,高3.30m,净断面为13.8m2,顶板两角呈圆弧过渡形式。设计的巷道断面图如图2所示:
图2-650暗立井下车场施工断面图
(二)锚杆参数的计算
根据现场地质情况和锚杆设计规范,按加固拱作用原理确定锚杆参数如下:
1.顶板锚杆长度:根据经验公式,锚杆长度为:
L=N(1.1+B/10)
式中:L——锚杆长度 (m);
N——围岩稳定性系数,取1.2;
B——巷道宽度,取5.0m。
L=1.2×(1.1+5.50/10)=1.92m
考虑到巷道的服务年限长,锚杆全长取2m。
2.锚杆间排距:
D≤0.5L
式中:D——锚杆间距 (m);
L——锚杆长度 (m)。
D≤0.5×2.0=1.0m
取锚杆间距为0.8m,同时取锚杆排距D2为0.8m。
3.锚杆直径:
d=L/110
式中:d——锚杆直径,mm;
L——锚杆长度 (m)。
d=2000/110=18.18mm
根据开滦集团公司掘进锚杆支护系列规范要求,确定使用Φ20mm的HRB335热轧无纵筋右旋螺纹等强锚杆。
4.锚固长度:L1=12d
式中:L1——锚固长度,mm。
L1=12×20=240mm
为增加锚固强度,确定采用安装3根树脂药卷,锚固长度900mm。
5.锚杆悬吊重量及拉力计算:
锚杆悬吊重量:G=KrL2D1D2
式中:G——锚杆悬吊岩石重量 (t/棵);
K——安全系数,取1.8;
R——岩石容重,取2.5t/m3;
L2——锚杆有效长度,m。
G=1.8×2.5×1.9×0.8×0.8=5.47t/棵
锚杆的屈服力为:P1=πd2σ1/4
式中:P1——锚杆的屈服力;
σ1——HRB335右旋螺纹钢筋屈服强度,σ1=33.5kg/mm2。
P1=3.14×202×33.5/4=10.52t/棵
锚杆的抗拉力为:P2=πd2σ2/4
式中:P2——锚杆的屈服力;
σ2——HRB335右旋螺纹钢筋抗拉强度,σ2=51kg/mm2。
P2=3.14×202×51/4=16t/棵
经计算锚杆悬吊煤体重量小于锚杆的拉拔力,故锚杆直径选择合理。
设计锚固力为10吨,并确定锚杆的拉拔力测定达到9t/棵为合格。
根据计算结果及现场实际,确定顶板锚杆支护参数如下:
锚杆长度:2000mm;锚杆直径:20mm;
锚杆间距:800mm; 锚杆排距:800mm。
锚杆角度应符合设计要求,轴向偏差不得超过5°。
锚杆尾端外露长度为30～50mm。
三、现场施工及效果分析
(一)现场支护施工
-650暗立井下车场现场的施工采用了锚网与喷浆支护,加强了支护强度,更有效地控制了深部地压条件下的岩石巷道的变形问题,延长了巷道的服务年限。
现场施工的支护方案具体为:锚杆+锚网+喷浆联合支护。锚杆矩形布置,采用Φ20mm 的长2000mm的等强树脂锚杆,加长锚固;锚杆间排距800mm×800mm;锚网采用方
格钢金网1000mm ×2000mm (网格120mm×120mm,Φ6mm圆钢焊接);喷浆采用红矸粉与水泥的混凝土,喷射厚度为 100mm。巷道支护断面图如图3所示:
图3-650暗立井车场锚杆断面布置图
(二)矿压监测
该巷道掘进后应力重新分布,必须经矿压观测来判断巷道的稳定性,确保巷道各变形量满足设计要求。
1.巷道围岩表面位移观测:采用十字布点法对巷道顶底和两帮相对移近量进行观测,布点间隔不大于30m,由专人每3天测一次,观测结果如图4所示:
图4实测巷道表面位移图 (单位:mm)
2.顶板离层观测:通过顶板深浅基点顶板下沉情况验证锚杆支护参数,特别是頂部锚杆支护参数的合理性。采用顶板离层仪进行观测,每50m设一测点,每个测点设深基点和浅基点各一,浅基点测深1.8m处的离层情况,深基点测深6m处的离层情况,观测间隔不超过5天,观测结果如图5所示:
图5实测巷道深部位移图 (单位:mm)
该巷道于2008年8月10日开始掘进,一个月后,巷道的表面及内部位移量逐渐变小,基本趋于稳定。通过40天的观测结果,最终巷道两帮移动量为86mm,移近量为2.15mm/天,顶板下沉量为83mm,移近量为2.07mm/天。巷道顶部的内部位移15～20天基本趋于稳定,位移量较小,尤其是深部位移只有33mm,说明巷道顶部岩层整体性较好,没有出现较大分离层。
四、结语
深部高应力条件下的岩石巷道采用以锚喷支护为主的支护体系,采用理论与现场实时监测相结合,通过合理支护参数技术研究,设计巷道的合理支护结构,解决了深井高应力巷道支护问题,对于提高开拓巷道的支护效果起到了很好的作用,极大的延长了深部高应力条件下的开拓巷道的服务年限。
作者简介:马平 (1981-),男,河北辛集人,开滦林南仓矿业分公司生产技术部助理工程师,研究方向:开拓技术管理。
关键词:深部高应力;岩巷;锚杆支护;参数计算;围岩控制
中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0190-02
我国煤炭资源53%以上埋藏在700m以下,随着开采深度的增加,许多煤矿将进入1000m以下的开采深度。随着矿井的水平延深,开拓巷道服务年限的要求逐步提高,如何提高深部高应力巷道的支护效果,成了当前形势下研究的主要课题。
深部高应力巷道的主要问题是巷道支护困难,稳定性差。在这种条件下,林南仓矿根据自身的地质状况,充分研究了深部高应力条件下巷道的锚网喷支护技术,并有针对性地研究了适合林南仓矿地质状况的合理支护参数,有效地指导了设计和施工,确保了深部高应力条件巷道的稳定性。
一、工程概况
开滦集团林南仓矿现在的开采深度已经达到了-500水平,剩余的煤层埋藏较深,矿井延深工程基本在-650水平及以下水平,开拓工程将面临的是深部高应力条件下的巷道支护问题。
林南仓矿正在施工的延深巷道中的-650暗立井下车场,由于埋深较大,巷道周围岩体属于工程力学中的高应力区域,所受压力较大,巷道支护困难,严重影响了矿井的开拓进度。该巷道布置在煤12底板岩层中,该层位地质构造较为复杂,施工中遇到的伴生断层和小断层较多,有时会将顶板直接底断移至巷道中,巷道的支护难度较大。该层位为稳定性差,吸水易变软和膨胀,围岩节理发育,松散遇水膨胀,从而岩体局部较软,承载能力较低,对巷道的后期稳定造成了极大影响,属于稳定性较差或不稳定巷道。在这种情况下,如采用刚性金属支架支护,成本高,施工难度大,且承载能力不足以抵抗深部高应力的作用。应考虑采用主动支护方式,选用合理的锚喷联合支护结构和参数,充分调动围岩本身作为支护结构的组成部分,共同承受动压作用。其顶底板岩性柱状图如图1所示。
二、支护参数选择与确定原则
锚杆支护系统的设计取决于岩体抗压强度、材料特性、引发应力的大小和分布,以及巷道的允许变形程度和服务年限,巷道尺寸和形状等条件。同时,支护设计要以“新奥法”的施工思想为指导,根据施工地质条件不同,选择不同的支护参数。
锚杆支护系统设计和支护参数的确定,主要是指锚杆类型、间排距、长度、直径、锚固力。只有合理确定锚杆支护参数,才能获得锚杆支护在经济上和技术上的最佳效果。针对-650暗立井下车场工程地质实际情况,此巷道的支护参数设计可采用理论公式计算结合工程类比法来确定。
(一)断面形状
根据巷道运输要求,确定锚网支护条件下巷道断面为直墙半园拱形,宽5.00m,高3.30m,净断面为13.8m2,顶板两角呈圆弧过渡形式。设计的巷道断面图如图2所示:
图2-650暗立井下车场施工断面图
(二)锚杆参数的计算
根据现场地质情况和锚杆设计规范,按加固拱作用原理确定锚杆参数如下:
1.顶板锚杆长度:根据经验公式,锚杆长度为:
L=N(1.1+B/10)
式中:L——锚杆长度 (m);
N——围岩稳定性系数,取1.2;
B——巷道宽度,取5.0m。
L=1.2×(1.1+5.50/10)=1.92m
考虑到巷道的服务年限长,锚杆全长取2m。
2.锚杆间排距:
D≤0.5L
式中:D——锚杆间距 (m);
L——锚杆长度 (m)。
D≤0.5×2.0=1.0m
取锚杆间距为0.8m,同时取锚杆排距D2为0.8m。
3.锚杆直径:
d=L/110
式中:d——锚杆直径,mm;
L——锚杆长度 (m)。
d=2000/110=18.18mm
根据开滦集团公司掘进锚杆支护系列规范要求,确定使用Φ20mm的HRB335热轧无纵筋右旋螺纹等强锚杆。
4.锚固长度:L1=12d
式中:L1——锚固长度,mm。
L1=12×20=240mm
为增加锚固强度,确定采用安装3根树脂药卷,锚固长度900mm。
5.锚杆悬吊重量及拉力计算:
锚杆悬吊重量:G=KrL2D1D2
式中:G——锚杆悬吊岩石重量 (t/棵);
K——安全系数,取1.8;
R——岩石容重,取2.5t/m3;
L2——锚杆有效长度,m。
G=1.8×2.5×1.9×0.8×0.8=5.47t/棵
锚杆的屈服力为:P1=πd2σ1/4
式中:P1——锚杆的屈服力;
σ1——HRB335右旋螺纹钢筋屈服强度,σ1=33.5kg/mm2。
P1=3.14×202×33.5/4=10.52t/棵
锚杆的抗拉力为:P2=πd2σ2/4
式中:P2——锚杆的屈服力;
σ2——HRB335右旋螺纹钢筋抗拉强度,σ2=51kg/mm2。
P2=3.14×202×51/4=16t/棵
经计算锚杆悬吊煤体重量小于锚杆的拉拔力,故锚杆直径选择合理。
设计锚固力为10吨,并确定锚杆的拉拔力测定达到9t/棵为合格。
根据计算结果及现场实际,确定顶板锚杆支护参数如下:
锚杆长度:2000mm;锚杆直径:20mm;
锚杆间距:800mm; 锚杆排距:800mm。
锚杆角度应符合设计要求,轴向偏差不得超过5°。
锚杆尾端外露长度为30～50mm。
三、现场施工及效果分析
(一)现场支护施工
-650暗立井下车场现场的施工采用了锚网与喷浆支护,加强了支护强度,更有效地控制了深部地压条件下的岩石巷道的变形问题,延长了巷道的服务年限。
现场施工的支护方案具体为:锚杆+锚网+喷浆联合支护。锚杆矩形布置,采用Φ20mm 的长2000mm的等强树脂锚杆,加长锚固;锚杆间排距800mm×800mm;锚网采用方
格钢金网1000mm ×2000mm (网格120mm×120mm,Φ6mm圆钢焊接);喷浆采用红矸粉与水泥的混凝土,喷射厚度为 100mm。巷道支护断面图如图3所示:
图3-650暗立井车场锚杆断面布置图
(二)矿压监测
该巷道掘进后应力重新分布,必须经矿压观测来判断巷道的稳定性,确保巷道各变形量满足设计要求。
1.巷道围岩表面位移观测:采用十字布点法对巷道顶底和两帮相对移近量进行观测,布点间隔不大于30m,由专人每3天测一次,观测结果如图4所示:
图4实测巷道表面位移图 (单位:mm)
2.顶板离层观测:通过顶板深浅基点顶板下沉情况验证锚杆支护参数,特别是頂部锚杆支护参数的合理性。采用顶板离层仪进行观测,每50m设一测点,每个测点设深基点和浅基点各一,浅基点测深1.8m处的离层情况,深基点测深6m处的离层情况,观测间隔不超过5天,观测结果如图5所示:
图5实测巷道深部位移图 (单位:mm)
该巷道于2008年8月10日开始掘进,一个月后,巷道的表面及内部位移量逐渐变小,基本趋于稳定。通过40天的观测结果,最终巷道两帮移动量为86mm,移近量为2.15mm/天,顶板下沉量为83mm,移近量为2.07mm/天。巷道顶部的内部位移15～20天基本趋于稳定,位移量较小,尤其是深部位移只有33mm,说明巷道顶部岩层整体性较好,没有出现较大分离层。
四、结语
深部高应力条件下的岩石巷道采用以锚喷支护为主的支护体系,采用理论与现场实时监测相结合,通过合理支护参数技术研究,设计巷道的合理支护结构,解决了深井高应力巷道支护问题,对于提高开拓巷道的支护效果起到了很好的作用,极大的延长了深部高应力条件下的开拓巷道的服务年限。
作者简介:马平 (1981-),男,河北辛集人,开滦林南仓矿业分公司生产技术部助理工程师,研究方向:开拓技术管理。