全锚索支护在深部冲击地压区的应用

2015-10-21刘吉旗

科技与企业 2015年3期

【摘要】随着我国煤炭生产和现代化机械水平的不断提高，其中部分大中型煤矿由于开采深度的增加，地应力增大，深部巷道变形量明显增大，持续时间明显增长，单一锚杆支护已不能满足深部巷道的支护要求。尤其是在煤柱区及冲击地压区域施工时，如何采取有效的强化支护方式，是现阶段掘进支护面临的重大课题。本文从五龙煤矿的实际出发，针对煤柱冲击地压区域施工巷道的支护问题进行了有益的探索，通过两年多的实践，为全锚索支护在井巷施工中的应用奠定了基础。

【关键词】冲击地压；煤柱区；全锚索支护

前言

快速、安全、高效的掘进巷道是煤矿生产的先决条件，是保证正常的采掘接替、开展有效的瓦斯治理、建设安全高效矿井的必要条件。随着我国煤炭生产和现代化机械水平的不断提高，如何采取有效的强化支护方式，是现阶段掘进支护面临的重大课题。

阜矿集团五龙煤矿是一个有着50多年开采历史的老矿区，1952年由前苏联列宁格勒设计院设计，经过技术装备改造，2006年核定产量为250万t/a。五龙煤矿为高瓦斯矿井，地质条件分类为二类Ⅱ型，矿井自燃危险等级为容易自燃，煤种为长焰煤，开拓方式为立井多水平分区式。

1、问题的提出

五龙煤矿进入21世纪以来，随着矿井向-600以下水平的延伸，煤区的主采工作面开采深度均已达到800米以上，深部回采巷道支护遇到了前所未有的技术难题。五龙煤矿在煤柱及冲击地压区掘进巷道施工如何采取有效的支护方式是一直以来探索的重大课题。

2002年至2006年期间，我们对冲击地压区域的采区巷道主要以加大支护强度，增大支护材料投入为主，支护方式多为U棚+锚杆网联合支护，但经过几年的实践，总结出这种支护的缺点，一是投产成本大，二是工人劳动强度高，三是施工速度缓慢，四是回采时上下两道由于U棚的存在，使维修工作十分困难等。为此，从2007年起，集团公司进行支护改革，探索使用全锚索支护，五龙煤矿在3322上、下两顺重点冲击区域进行了以全锚索支护代替U棚+锚杆合支护的试验，经近一年多的实践，基本形成了一套行之有效的技术手段，为回采巷道在高应力区施工的有效支护探索出一条新路。

2、锚杆支护与锚索支护从理论上的比较与区别

2.1 松动圈理论与煤柱区锚索支护机理

2.1.1松动圈理论

松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬围岩的裸露巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。

1）小松动圈支护机理。当L=0～40cm时，称为小松动圈。当L=0时，意味着开巷后围岩只有弹塑性变形，其变形量小，变形时间短，因此不存在支护问题。

2）中松动圈支护机理。当L：40～150cm时，称为中松动圈。围岩的碎胀力比较明显，围岩的收敛变形将使喷层产生裂缝或破坏，因此，必须用锚杆控制其变形。由于L值一般小于常用锚杆长度，因此可以用悬吊理论。但锚杆的悬吊对象是围岩松动圈在形成过程中的碎胀力，其悬吊点为松动圈以外的岩体。锚固力大于4kN可满足支护要求。

3）大松动圈支护机理。当L>150cm时，称为大松动圈，属软岩。L=150cm是围岩松动圈支护理论划分为软岩的界线。围岩变形量大，变形时间长，支护不成功时底鼓严重。对于这类围岩，必须选用较强的支护才能防止底鼓。采用组合拱理论可以有效地进行支护。

2.1.2松动圈理论分析锚索支护原理。

按照中松动圈支护机理，3311上下两顺煤柱区围岩为中松动圈，设计中可采用悬吊理论，锚索的主要作用是将下部不稳定岩层悬吊在上部稳定岩层中。但在煤柱区构造带附近、巷道变形比较大的区域，锚索通过锚固段与锚索托板之间的作用对巷道上方不稳定岩层起到挤压加固作用，这种作用也很重要，是对悬吊作用一个有力的补充。如果锚索仅仅起到悬吊作用，悬吊的重量一般都很大，将是很危险的，因此确保有足够的预应力是锚索支护的一个关键问题。

以上内容的分析是我们决定改变采区巷道传统的锚杆+网+钢带支护的理论基础。

3、全锚索支护设计

3.1 3322工作面概况

3322工作面主采煤层为太平上层群，煤层结构复杂，层理，节理较发育，煤层厚度为12-13.6米，煤层中含夹石层数较多，夹石层数6-10层，夹石厚度变化在0.05-1.0米，岩性随岩石厚度而变化，薄时为泥岩，厚时为粉砂岩，煤层中常伴有小构造，及局部有劣质煤。

煤层顶板为复合顶板，岩性为页岩含薄煤层，厚度0.5-至3.0米，往上为直接顶，岩性为粉砂岩，厚度70米。

煤层底板含砾砂岩，厚度9米。

3.2 原巷道支护设计

原巷道支护采用锚杆+钢带+金属网联合支护。锚杆为ф20螺纹钢长度为2.4米，帮使用ф20螺纹钢长度为2.0米的等强锚杆，顶板布置8米锚索，每排三根，排距×间距：2.4米×1.6米。选用长4.1米，宽70，带距0.8米，每排布置7根锚杆。锚杆间距0.8米。成巷后开展跟踪写实。

表中实见，前10天右帮移近量大于左帮，顶板下沉量大于底板鼓起量，巷道总体变形量大，从原支护设计实施情况分析（1）深部巷道地压大，两帮煤层因瓦斯大煤壁松弱，现支护形不成具有足够强度的组合梁达到支撑上部围岩。（2）锚杆锚深不够，安装时初锚力低，不能有效及时控制围岩变化。

3.3 全锚索支护设计

2007年8月份开始，在3322运顺工作面开展全锚索支护攻关研究，经过写实、分析、试验、对该工作面采取以下改进措施：（1）工作面所有顶板锚杆均改为L=6米锚索，直径：17.8mm，取代原巷道锚杆。（2）原巷道中间加打的长锚索由3根修改为四根，并将滞后距离由30米修改为为5.4米。

3322区经过近半年多的实施及设点观测，顶板下沉量由原来的300mm/10天下降为100mm/10天，工作面支护质量得以显著提高。