韩立兵
开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司 唐山古冶 063108
摘要:3X71S工作面为深部三下采区首采工作面,采用锚杆支护,由于支护强度低,风道损坏变形严重,多次进行维修治理,影响巷道使用。其下3X73S工作面投入,从提高支护强度入手,采用了高预应力锚杆支护系统。实践表明,巷道整体支护能力得到加强,围岩得到很好控制,取得较好支护效果,为类似条件工作面锚杆支护提供了技术支撑。
关键词:深部;大断面;高预应力支护系统
1. 工作面地质技术条件
1.1工作面煤层情况
煤层为复杂结构煤层,煤层厚度变化较大,最厚3.44米,最薄2.36米,平均2.87米;煤层倾角变化较大,最大25°,最小9°,平均15°。
1.2工作面煤层顶底板情况
1.3巷道围岩分类
参照以往7煤层工作面及3X71S工作面顶、底板强度、煤层强度及分类结果,确定工作面巷道围岩分类结果为Ⅲ类。
2 锚杆支护理论与作用机理
2.1 高预应力强力支护理论
锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容、不连续变形破坏,使围岩处于受压状态,抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏,保持锚固区围岩完整性,减小强度降低。
在锚固区产生较大的压应力区,形成预应力承载结构,阻止锚固区外岩层产生离层,改善围岩部应力分布。
锚索发挥作用。一是将锚杆承载结构与深部围岩相连;二是与锚杆有效压应力区连接、重叠,形成骨架网状结构;三是消除了锚杆端部的拉应力区。
深部与复杂困难巷道采用高预应力、强力锚杆支护,实现一次支护有效控制围岩变形,尽量避免二次支护。
2.2整体支护理论
对帮部煤岩体相对较软与超高帮巷道,在保证顶板安全的前提下,重点加强帮部支护;重视顶帮支护强度的协调。
对应力型底鼓巷道,应加强帮下角的支护强度,对控制底鼓有明显的效果。
对煤岩体酥软巷道,应选择护表面积、强度大的构件。
2.3预应力全长锚固理论
较高的预紧力,能够提高承载结构的稳定性与承载能力。采用全长锚固,可大幅度提高锚杆的抗剪切错动能力,防止锚杆尾部、锚固与非锚固界面破断。
3 实施方案
3.1 确定支护形式与参数的原则
1)一次支护原则;
2)高预应力与预应力扩散原则;
3)“三高一低”原则(高强度、高刚度、高可靠性,低密度)
4)相互匹配原则;
5)可操作性原则;
6)经济合理原则。
3.2 支护对策
1)使用锚—梁—网—索联合支护,保持顶板锚杆支护的整体性;2)在受邻近动压影响的巷道使用高强度锚杆;
3)在断层附近增加顶锚杆和锚索的密度;
4)在无条件打锚杆的区域使用金属支架。
3.3 支护方案确定
3.3.1 巷道断面确定
为满足生产和安装的需要,3X73S风道设计断面为5.2*3.0m2,运道设计断面为5.2*3.0 m2(运道下帮高度不低于2.6m)。巷道留有一定富余量,实现让压目的。
3.3.2 顶板支护
采用高预应力锚杆支护系统,重点提升顶板支护强度。顶板采用顶锚杆、金属菱形网、U型钢带组合支护系统方式,并进行锚索补强,保持顶板支护系统整体性。
1)顶锚杆长度与强度确定
锚杆长度与支护效果具有密切关系。锚杆长度的加长,能使上覆岩层形成较厚的加固体,可以提高锚杆支护效果,增强巷道围岩的稳定性。高强度锚杆,可以承载更多的破碎岩石,可以抵御更强烈的水平剪切荷载。
根据已有7煤层巷道锚网支护经验和目前支护材料,确定3X73S风、运道顶锚杆长度为2.4m,风、运道顶锚杆间距不大于0.8m。
2)护帮锚杆的选取与参数确定
为有效控制巷道两帮变形,两帮采用直径为20mm,长度为2000mm的等强锚杆,辅以金属菱形网配合4mm厚的“U”钢带护帮,帮锚杆间距不大于800mm,排距与顶锚杆排距一致,锚固力不低于30KN,每眼装1支K2550树脂锚固剂。
3)锚索的补强支护作用
采用直径21.6mm的高强度、低松弛钢绞线锚索,长度为9.5m,托板规格为500mm长的25U型钢。锚索间排距,风、运道锚索采取3趟布置,锚索排距均为2.4m;
为有效控制巷道两帮变形,对巷道两帮帮采取加补锚索的方式进行巷帮加固。锚索参数:直径不小于17.8mm的高强度、低松弛钢绞线锚索,托盘规格为500mm长的25U型钢,锚索长度4m,每孔装2卷树脂锚固剂(1支CK2530和1支K2550),帮锚索均采用单趟布置,布置在巷帮中间,间距均为2.4m。
4施工管理
锚杆支护施工质量与速度取决于工艺。根据围岩条件,选择适宜施工工艺保证支护质量。合理安排各工序顺序和时间,实现过程衔接相互配套,是提高锚杆支护施工速度的重要途径。必须抓好现场操作,完善施工工艺,严格按照作业规程进行规范施工。
施工时,要保证锚杆、锚索施工速度,及时形成支护承载层。同时,要保证锚杆锚固力、初锚力与螺母扭矩达到标准要求。施工前,对上一班施工锚杆、锚索进行再次紧固,顶锚杆螺母扭矩达到不小于140N.m,帮锚杆螺母扭矩不小于60N.m。
锚索支护部位、支护时间与施加的预紧力,要与整个支护体系相匹配。锚索支护时间与施加的预紧力要与锚杆相匹配,应使锚杆、锚索实现同步受力,形成同步承载层,或使锚杆先受力,使其支护强度得到充分发挥。
提高锚杆预紧力。预紧力是体现锚杆支护主动性的重要指标,锚网支护效果好坏,很大程度上,取决于锚杆预紧力能否满足要求。施加一定的预紧力,既能提高锚固承载层的承载能力,又能提高锚杆自身支护刚度,从而使整个锚杆支护系统充分发挥其支护能力。
5矿压监测及应用效果
矿压监测是锚杆支护过程中不可或缺的环节,监测围岩位移与支护体受力,对其支护效果进行评价,是验证锚杆支护效果的重要依据。
5.1矿压监测
巷道监测采用顶板离层仪和十字测点相结合的方法。十字点间距不大于30米,顶板离层仪安装间距为30m-50m。顶板离层仪主要监测顶板的内离层值与外离层值;十字测点主要监测顶板的下沉量、下沉速度、两帮移近量及移近速度。
5.2效果检验
巷道施工完成后,顶板离层仪内外变形合计最大值为19mm,十字监测点顶板下沉量最大为54mm,两帮移近量最大为238mm。顶板及巷帮各项监测数据变化正常。
6结语
1)采用大断面支护,为使用先进采煤技术装备创造条件。实现工作面回采快速推进,提升回采效率,减轻员工劳动强度,确保安全可靠性。
2)高预应力强力支护是今后锚杆支护发展方向,锚杆、锚索预应力是决定支护效果的最重要因素;合理匹配锚杆、锚索与各构件保证支护效果的重要方法。
参考文献:
[1]煤巷锚杆支护理论与成套技/康红普、王金华等著.-北京:煤炭工业出版社,2007.11
[2]矿山压力与岩层控制/钱明高、石平五、许家林.-中国矿业大学出版社,2010.09
[3]煤矿巷道锚杆支护技术规范(GB/T35056-2018)
作者简介:韩立兵,男,40岁,2004年毕业于河北工程大学,工程师,现任开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司掘进主管工程师。