煤巷支护理论及其安全控制技术是保证煤矿安全生产的常规而重要的基础性技术, 尤其是大跨度泥岩顶板煤巷支护技术是矿业工程学科和煤矿安全领域内的重要难题,对于平衡采掘关系和加快高产高效矿井建设将产生深远的影响。煤巷锚杆支护技术在煤炭行业得到了全面快速的发展, 锚杆支护理论也不断地丰富完善, 桁架锚索联合控制技术作为一种新型的支护技术近年也被提出和应用,这种新型支护技术原理不同于传统的锚杆(索)支护, 能够降低工人的劳动强度, 提高劳动生产率, 为煤炭企业带来显著的经济社会效益。
某矿己15-22020工作面主要开采己15煤层, 顶板灰黑色砂质泥岩, 含植物叶片化石, 距煤层顶板0.8m左右, 有一层0.01 ～0.15m的煤线;底板为深灰色砂质泥岩与细砂岩互层, 含植物根部化石, 顶部有0.1～0.2m的炭质泥岩,遇水易膨胀。开切眼长度为170m,巷道形状为矩形,净宽6.4m,净高2.8m,净断面为17.92m。该切眼沿己煤层顶板掘进, 破底不破顶, 倾角为15～24°。
通过现场调研和分析, 工作面切眼围岩及其维护存在以下几方面的问题:
①原有支护方式基本照搬顺槽的支护方式, 而在回风顺槽巷道中出现了大范围的顶板严重下沉和离层现象(顶板下沉量达0.5～1.0m), 需采用U型钢和补打木点柱加强支护。回风顺槽的部分区域还出现冒顶(冒顶高度可达1.0m),而且在很多区域两帮煤岩体向巷道中部大幅度内移并伴随出现底鼓现象, 不得不扩帮重新支护和起底;
②原有锚杆(索)支护系统中, 锚索呈单体布置,安装时不能实现水平方向预紧力, 而且在顶板下沉过程中单体锚索亦不能产生水平方向的支护力, 不利于顶板岩层在施加水平预应力后处于三向压应力状态和增加岩体强度,在支护原理上尤其不利于大断面破碎顶板在水平方向上形成稳定的结构。原有支护中, 仅仅安设倾斜角锚杆, 长度短、水平投影长度小, 且锚杆螺纹部分很容易被剪断, 不能有效控制巷道剪切破坏冒顶事故的发生, 而钢绞线长度大、伸入煤帮上方顶板岩体范围大, 且抗剪性能强、在巷道肩窝处不易被剪断, 能够缓解顶板支护结构的剪切破坏;
③原有顶锚杆长度为2.0m,而顶板砂质泥岩与煤线组成的复合破碎顶板的厚度达3.0m。锚杆长度不仅小于复合顶板的厚度, 而且未能深入到稳定的岩层中, 因此还需要充分发挥锚索系统的支护作用。钢筋梯子梁采用钢筋焊接而成,焊接点在受水平作用力后易发生破坏, 而桁架锚索结构全部采用钢绞线锁紧对拉, 不易发生破坏, 加强了支护结构的整体性, 有利于形成稳定的支护结构;④切眼服务时间较长, 贯通以后服务期将超过3个月, 变形破坏时间长。
桁架锚索控制技术是将处于受压状态的巷道两肩窝深部岩体作为锚固点和承载结构的基础, 采用高预拉力对拉并锁紧两根钢绞线, 直接作用于顶板浅部的围岩, 提供水平预应力改善顶板的应力状态, 强化低位岩体的力学性能和提高其抗变形性能, 控制层状顶板的不协调变形。桁架锚索是一种能在巷道顶板的水平和铅直方向同时提供挤压应力的主动支护结构, 从而使得锚固区内的煤岩体处于铅直挤压和水平挤压状态, 桁架锚索系统预紧力引起的主动力可有效主动控制巷道顶板的初始下沉。 在巷道顶板的弯曲变形过程当中, 锚索受到的拉应力增加, 锚固区内的煤岩体受到的挤压支护力也随之增加。
预拉力桁架系统适用于顶板自身强度较低的大跨度、大断面巷道和悬顶面积大的交叉点, 具有良好的应用价值。这种支护形式可以在顶板未出现离层时强化顶板, 减少变形;出现离层时, 也能保证巷道的安全使用, 特别是在巷道顶板松软破碎的情况下, 效果更加明显。与普通单体锚索比较, 桁架锚索有如下优点:
1)受力随顶板岩体弯曲,两帮锚固点内移,能形成闭锁结构, 受力增加较慢, 支护结构不易失效;而单体锚索随顶板变形, 载荷直线上升, 易拉断失效。
2)巷道顶板内拉应力区与压应力区的分界线为中性轴, 因而中性轴上方的顶板岩体处于压应力区, 中性轴下方的顶板岩体处于拉应力区。 桁架锚索使得顶板锚固体的中性轴下移, 改善了锚固区内围岩的应力状态, 使锚固区内更多岩体处于压应力状态, 从而使得锚固区内围岩不容易破坏。
3)由于中性轴的下移以及桁架高预应力在锚固区内岩层产生与重力力矩反方向的力矩, 大大降低了锚固区煤岩层的最大拉应力, 锚固区内岩石的稳定性得到大大加强。
4)桁架锚索斜穿过锚固岩梁最大剪应力区,锚索、岩梁和角锚杆共同承担剪应力, 且锚索的高预应力在一定程度上抵消了岩梁承受的剪应力, 并且锚索的这种抗剪力随着岩梁弯曲变形的增加而相应增加, 从而增加了锚固岩梁的抗剪能力。
5)桁架锚索的锚固点和支护结构是在巷道两帮的肩窝, 该处处于三向高压状态, 不易受顶板离层和变形的影响, 锚固点周边煤岩体不容易破坏, 为桁架锚索系统发挥高锚固力提供了稳固的支点。
桁架锚索支护方案设计
运用桁架锚索支护技术的原理, 结合己15-22020工作面的现场实际条件, 设计了适用于工作面的桁架锚索支护方案。
现场应用与效果分析
通过将设计方案在己15-22020工作面现场的应用并设置巷道围岩变形测站进行现场矿压观测, 得出巷道顶板下沉量与两帮移近量变化结果。大跨度切眼在开挖支护完成后一个月内,断面收敛率很小, 巷道变形主要以顶板下沉为主, 两帮移近量最大不超过100mm,顶板下沉量最大不超过150mm,巷道围岩控制效果较好。
大跨度切眼初期收敛速度比后期收敛速度要大, 在掘进25d左右趋于稳定。
