付村煤业有限公司全煤巷道锚杆支护设计研究

王森全,张 磊

(枣庄矿业集团付村煤业有限公司,山东微山县 277605)

付村煤业有限公司全煤巷道锚杆支护设计研究

王森全,张 磊

(枣庄矿业集团付村煤业有限公司,山东微山县 277605)

根据煤巷围岩稳固性类别的划分,针对煤巷支护的形式和稳固性的关系,在确定煤巷围岩稳固性类别的基础上,并根据现场情况,采取一系列支护措施,设计出适用于现场实际的煤巷支护方案,为公司煤巷锚杆支护设计提供了科学依据,并取得了年节约材料费 630万元的良好经济效益。

全煤巷道;锚杆支护;支护方案

付村煤业有限公司是核定年生产能力 270万 t的矿井,每年完成的全煤巷掘进进尺达 12000m左右,目前所回采的煤层为二叠系山西组 3上煤层,从整体煤巷支护效果来看,基本保证了综采高产高效的发挥。从锚杆支护设计统计的几个关键点出发,通过深化施工工艺、强化支护技术,优选煤巷支护方案在一定程度上满足了支护节能减排、节支降耗、快速掘进的要求。

1 煤巷基本类型和特点

1.1 煤巷围岩稳固性类别的划分

根据煤巷围岩分类的基本原则,结合付村煤业有限公司在掘进和回采过程中的煤巷围岩控制经验,确定将该矿煤巷围岩稳固性分为 4类(见表1)。

表1 稳固性不同的各类煤巷顶板特征

根据对回采巷道围岩稳固性影响因素的分析及分类因素确定的原则,选取煤层埋深、煤层倾角、煤层厚度、采煤方法、直接顶厚度、直接顶强度、老顶厚度、老顶强度、直接顶初垮步距、老顶初垮步距、护巷煤柱宽度等参数作为巷道围岩稳固性的影响因素指标,确定不同煤巷围岩稳固性类别。

1.2 煤巷基本类型和特点

根据煤层赋存情况,煤巷布置不容选择,主要可以分为:综采工作面实体煤顺槽;综采工作面沿空顺槽;综采工作面大断面切眼。

煤巷与岩巷相比,不同特点主要有:巷道位置不容选择,只能开在煤层中;巷道围岩呈层性显著,强度较低;巷道断面一般为矩形或梯形,一般均受到回采工作面采动影响与采空区的影响。

2 煤巷支护形式和稳固性关系

付煤公司煤巷锚杆支护的基本形式主要有 3种,分别为锚杆支护、锚网支护和锚网梯索支护。对原有的煤巷进行分析,得到支护形式与煤巷稳固性类别的对应关系可以看出:

(1)使用锚杆支护形式的比例随着稳固性降低而减少,锚杆支护这种单一形式在顶板较为坚硬、完整、稳定的砂岩且无淋水条件下使用较多。

(2)锚网与锚网梯索支护两种形式的比例随着稳固性降低逐渐增加,锚网支护和锚网梯索支护在Ⅲ类、Ⅳ类巷道的使用比例较高。

(3)Ⅰ、Ⅱ类巷道中锚杆均垂直于顶帮,Ⅲ类巷道中顶帮均布置有倾斜锚杆,Ⅳ类锚杆布置角度比较混乱,随着稳固性的降低,顶板肩部锚杆和两帮角处锚杆的支护角度逐渐增大,以防止该处因应力集中而导致顶板沿帮角处的剪切破坏。

3 煤巷支护设计

锚杆安装时,施加合理的安装应力以控制围岩的早期变形,所以在锚杆支护时必须把锚杆的安装力(预应力)作为主要的参数考虑,安装应力过小会使围岩发生过大的早期变形,松散破碎圈会变大,引起顶板破碎,锚杆受力增加。

3.1 锚杆的基本参数选择

煤巷支护系统本身必须具有变形让压功能,其作用和液压支架的安全阀一样,在锚杆所受的力达到其强度极限前让压变形以保护杆体,实现控制让压。但是在选择锚杆时不能一味追求高强度、大直径的锚杆,要根据围岩和支护空间的关系找出合理的结合点,以选择合适的锚杆达到最佳的巷道支护效果。付煤公司锚杆的基本参数为:锚杆类型为高强度预应力锚杆;锚杆长度为 2200mm(顶)、1600 mm(帮);锚杆直径为 18mm(顶);钻孔直径为 28 mm;树脂为 CKa2550。

3.2 支护措施

(1)采取措施增加锚杆的初锚力。为减少锚杆安装过程中螺帽与托盘之间的摩擦力,在锚杆和螺帽之间加一个平垫和一个塑料垫圈,平垫靠螺帽侧、塑料垫圈靠托盘侧,并使用锚杆扭矩放大器,增加锚杆的初锚力。通过施工 3上 411面运巷和 3上 412工作面材巷两煤巷的实验,实验结果证明:不使用垫圈和放大器安装的锚杆,其初锚力几乎为零,仅0.15 t;不使用垫圈使用放大器安装的锚杆,其初锚力增加了一倍;使用垫圈不用放大器安装的锚杆,其初撑力增加了 5～6倍;同时使用垫圈和放大器安装的锚杆其初撑力增加了 16～18倍,确保每根锚杆的初锚力在 4.0t以上,巷道两帮变形量不超过 50mm,顶板下沉量不超过 60mm,保证了安全生产。

(2)改变锚固剂规格型号,缩短凝胶时间。通过现场观察实验,将原来使用的快速锚固剂改为超快锚固剂,凝胶时间由原来的 8～40s缩短到 8～25 s,等待时间由原来的 10～60s缩短到 10～30s,施工每根锚杆可平均缩短 22.5s。现场对顶板锚杆进行拉拔力试验,结合“三径匹配”原理,将锚固剂的直径由原来的 23mm改为 25mm、长度由原来的600mm改为 500mm,取得了快速安全支护的效果。

(3)规范安装工艺,提高安装质量。为了充分发挥每根锚杆的作用,采取正确、规范的安装工艺是非常必要的,每个掘进工配备一块秒表,做到锚杆安装过程精确到“秒”:打孔,用锚杆机打 2160mm(顶)、1560mm(帮)的钻孔。

把树脂药卷和锚杆推入规定的孔位,利用锚杆和锚杆搅拌器通过锚杆机上推力把树脂推入孔中直到锚杆托盘离顶板 20mm左右,注意在上推树脂时严禁旋转,严禁把托盘死死压在顶板上。

完成第二步后,迅速旋转锚杆搅拌 10s(旋转搅拌时不要施加上推力),然后顺势上推锚杆使托盘贴近顶板(托盘离顶板的间隙为 5mm左右)。

停止 30s左右让树脂充分凝固。

旋转搅拌器上紧螺母,在紧螺母时应给最大扭矩而不要施加上推力以最大限度上紧螺母。

用扭矩放大器,进一步上紧螺母,达到规定安装应力。

在安装过程中要严格按安装步骤施工,否则会出现“长尾锚杆”或打不开阻尼现象,这样会大大影响锚杆的支护效果,甚至导致失效。

帮锚杆必须采取扭矩放大器安装打开阻尼,正常情况下应达到 4t以上的预应力,顶锚直接采取锚杆钻机就可以实现 4t以上的预应力。

4 现场实施效果分析

在 3上 411工作面运巷掘进后的回采过程中,采用多点矿压监测,在同一个断面设置 9个监测点,定期(每 3d)进行观测,发现靠近工作面采空区侧的测点变形量较大,变形量为 100mm,在非采空区侧变形量较小,变形量为 60mm。在整个巷道服务期间,本套锚杆支护参数能保证煤巷的稳固性,支护设计合理,为同类煤巷支护取得了宝贵的经验,解决了煤巷采取锚杆支护受动压影响的技术难题。

通过在煤巷改革使用锚杆支护工艺后,支护时间缩短促进了单进的提高;在煤巷中使用锚杆支护,两帮采用高分子塑料网代替铁丝菱形网,按照每年施工煤巷 12000m计,可节约材料费 630万元,经济效益良好,具有推广意义。

[1] 袁和生.煤矿巷道锚杆支护技术[M].北京:煤炭工业出版社,1997.

[2] 陆士良,汤 雷,杨新安.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京:煤炭工业出版社,1998.

[3] 何满潮,袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版出版社,2004.

2010-04-06)

王森全(1979-),男,山东汶上县人,工程师,主要从事煤矿安全管理和安全生产,Email:zgkgbgl@163.com。