高瓦斯矿井综采工作面尾巷锚杆支护优化设计

2011-07-04王建军

科技传播 2011年19期

王建军

山西焦煤汾西矿业集团双柳煤矿，山西柳林 033300

汾西矿业集团公司双柳井田位于柳林县孟门镇白家焉村，在离柳矿区三交三号井开发二叠系山西组下段顶部（3+4）#合并层煤，煤层平均厚度3.42m，属于高瓦斯矿井。煤层开采采用常规的三巷布置方式。用于回风的顺槽兼作抽放瓦斯的专用巷道，也称作尾巷。尾巷既作为本工作面回风巷道使用，同时还承担下个工作面的材料运输任务，作为材料巷道应用。

1 双柳矿尾巷支护现状

近年来，双柳矿井的开采逐步向深部发展，矿井的地压不断增大，巷道围岩压力显现强烈。尽管此前开展过相关尾巷支护技术的研究工作，但是由于矿井开采向深部发展，而且开采煤层地质条件也比浅部复杂，再加之巷道断面加大，尾巷表现出新的变形特征和破坏模式。根据井下调研和实地反映，主要表现在以下方面：

1）巷道两帮整体移出。特别是煤柱帮，造成巷道断面严重收缩，不能满足材料运输、以及行人和通风的使用要求，巷道的有效断面使用率降低；

2）巷道底鼓严重。严重地段底鼓量高达1000mm以上，严重制约矿井的安全生产；

3）巷道顶板整体下沉。顶板下沉量比较大，局部冒顶变形严重，严重影响到巷道的回采使用。

2 尾巷原有支护方案

尾巷顶板采用锚-网-钢筋托梁联合支护，锚索补强加固；帮部采用圆钢锚杆-金属网-钢筋托梁叠加支护，其中最下排锚杆配合W托板支护。

1）尾巷顶部采用φ20mm×L2400mm螺纹钢锚杆配合钢筋托梁叠加支护，每根螺纹钢锚杆配套使用1支K2355，1支Z2355型树脂锚固剂。顶部锚杆呈矩形布置，除两根边角锚杆呈75°向帮内倾斜外，其余均垂直于顶板布置。顶锚杆间排距为850mm×1000mm，每排布置5根。托盘均采用冷冲钢托盘,钢筋托梁规格:φ14-60-850-1150mm；

2）尾巷帮锚杆采用φ18mm×L1800mm圆钢锚杆,配合长φ14-60-850-1150mm的钢筋托梁叠加支护，最下排锚杆配合使用400×165×3mm的w钢托板竖放支护；每根锚杆配套使用一支K3537型树脂锚固剂；锚杆间排距为850mm×1000mm，均呈矩形布置，垂直于两帮，每排均布置2×4根，支护时最上一排锚杆距顶均为200mm，帮锚杆滞后顶锚杆500mm，最下一排帮锚杆距迎头顶锚杆不超过2排，帮部松软时必须紧跟迎头；

3）锚索采用φ15.24mm×L6400mm的钢绞线，配合[12×L3000mm，孔间距为2400mm的槽钢联合支护，每根锚索配套使用K2355、Z2355型锚固剂各1支，锚索顺巷道轴向布置，沿巷中线两侧700mm各布置一排，排内锚索间距为2400mm，相邻交错锚索错距1200mm。锚索滞后工作面迎头的距离不超过13m，顶板压力大，矿压现象明显时紧跟工作面迎头；

4）尾巷铺设网片采用规格为长×宽=11×1.1m的双抗网，网孔规格45×45mm。尾巷锚杆支护设计见图1。

图1 尾巷原有支护设计方案

3 尾巷原有支护方案存在主要问题

针对双柳矿尾巷支护现状，并进行了井下实地调研和考察，以及细致分析了尾巷现有支护方案，总结认为尾巷支护主要存在以下不足之处：

1）锚杆的初期预紧力偏低。双柳矿锚杆支护过程中给锚杆施加预紧力，主要是依靠MQT-120锚杆钻机自身的输出扭矩，以及附加人工操作扭矩扳手实施。MQT-120锚杆钻机输出扭矩为100N·m，转化成预紧力为10kN，而人工再使用扳手施加预紧力更是有限的，因此锚杆的初始预紧力最大不超过10kN；

2）锚杆的预紧力扩散程度偏低。锚杆支护的优势是主动及时，但锚杆支护的作用效果表现在锚杆的整体支护上，锚杆整体支护作用的发挥体现在锚杆预应力能否有效大面积的扩散。只有单根锚杆的预应力都得到有效大面积的扩散，那么整个锚杆群的预应力扩散才能形成有效的大面积压应力区，才能发挥锚杆整体支护的功能。实现锚杆预应力的有效扩散主要有两个途径：一是通过有效途径给锚杆施加较大的预紧力；二是通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的有效扩散。双柳矿尾巷原有巷道顶板辅助构件主要使用钢筋托梁，而不是钢带，钢筋托梁传递锚杆预应力的效果要大大低于钢带，这是造成锚杆预应力扩散程度低的主要原因；

3）巷帮的支护强度偏低。双柳矿尾巷变形破坏的主要特征是巷帮整体移近，说明支护对巷帮的控制相对较弱，致使巷帮发生整体移近。我矿原有尾巷巷帮主要采用φ18的圆钢锚杆支护，特别是煤柱帮也采用圆钢锚杆。尾巷是经受多次动压复用的巷道，两帮的支护强度必须加强；

4）巷道整体的支护强度偏低。双柳矿尾巷变形破坏主要表现为顶板整体下沉，局部冒顶严重，两帮整体移近以及巷道严重底鼓等矿压显现特征，出现这些影响矿井安全生产的负面现象有很多因素，单从支护的角度来讲，主要是巷道的支护强度偏低造成。由于支护强度偏低，没有控制住巷道受到强烈动压影响后围岩变形破坏的作用，从而导致巷道出现上述破坏特征。

4 支护方案优化设计

4.1 设计原则

根据双柳矿尾巷变形破坏特征，以及参考巷道原有支护设计方案，提出优化设计方案的设计原则：

1）一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，为采矿服务的巷道和硐室等工程，需要保持长期稳定，不能经常维修；另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响；

2）高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性；

3）“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、加长或全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度；

4）临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值；

5）相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用；

6）可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高；

7）在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。

4.2 巷道支护方案

4.2.1 33403工作面概况

双柳煤矿33403工作面主采属二叠系山西组下段顶部(3+4)#煤煤层，煤层总厚2.47m～4.0m，平均厚度3.42m；该煤层区内稳定，结构复杂，含两层左右黑色泥岩夹矸层；煤层倾角0°～10°，平均4°。开采的(3+4)#煤层伪顶：泥岩，局部发育，灰黑色，厚度0.5m；直接顶：砂岩、砂质泥岩，由下至上灰白色-灰黑色，粒度由粗—中粒变为细粒，水平层理，含砂均匀，夹粉砂岩条带，厚度12.94m～15.53m，均厚13.4m。老顶：K4砂岩，灰白色粗粒砂岩，厚度4.4m。直接底：砂质泥岩为主，发育斜裂隙，半坚硬，厚度5.65m。

4.2.2 断面设计

考虑到33403工作面尾巷在掘进过程中设备尺寸，通风要求和巷道围岩变形预留量，设计33403工作面尾巷尺寸如下：断面为矩形，巷道宽4600mm，高3000mm，掘进断面为13.8m2。

4.2.3 支护方案

经理论分析结果，再结合工程类比分析，确定33403工作面尾巷锚杆支护初始设计如下：

巷道采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统，并进行锚索补强。

1）顶板支护

锚杆形式和规格：杆体为20#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M22。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为K2355，另一支规格为Z2355。钻孔直径为28mm，锚固长度为1500mm。

锚杆初始预紧力：设计初始预紧力为300N·m。

W钢带规格：采用厚3mm的钢板滚压而成，宽度280mm，长度4.2m。

托盘：采用拱型高强度托盘，托板规格为130×130×10mm。

锚杆布置：锚杆排距1000mm，每排5根锚杆，间距1000mm。