复合顶板大断面煤巷锚网索梁支护技术研究与应用

陈泉建

(平顶山天安煤业股份有限公司六矿,河南省平顶山市,467000)

复合顶板大断面煤巷锚网索梁支护技术研究与应用

陈泉建

(平顶山天安煤业股份有限公司六矿,河南省平顶山市,467000)

平煤股份六矿戊9－10－22180工作面外段风巷断面大,顶板为高应力小岩柱煤岩互层复合顶板,针对风巷岩层特点采用锚网索梁联合支护。介绍了锚网索梁支护的方案设计、技术关键。通过在多段巷道试验,取得了良好的效果。

煤岩互层 复合顶板 大断面煤巷 锚网索梁支护

平煤集团以往复合顶板支护采用传统的钢架棚支护或锚网索与架棚联合支护。前者由于支护强度低,往往在采面移交前拱形棚已被压坏,二次返修投入成本较高,而且在回采过程超前替棚困难,严重制约了高产高效;后者虽然一定程度上解决了支护问题,但回采时仍需超前替棚,采煤工效低。为解决巷道大断面、复合顶板支护问题,探索了小岩柱煤岩互层复合顶板巷道采用锚网索梁支护技术,该技术先后在丁6－21090机巷、戊9－10－22310机巷、戊9－10－22310中间巷、戊9－10－22180风巷外段等地点进行了试验,取得了良好的支护效果,本文介绍了在戊9－10－22180风巷外段小岩柱煤岩互层复合顶板采用锚网索梁支护技术情况。

1 工程概况

戊9－10－22180风巷垂深840～927m,设计长度2090 m,风巷外段540 m沿戊10煤层顶板施工,巷道布置见图1。

巷道(竖直方向)上部为戊8－22180采空区,回采结束已5年。戊9－10－22180风巷外段戊10煤层厚2.8～3.0 m,煤层倾角8°～10°,上覆岩(煤)层依次为厚1.0～2.6 m的砂质泥岩(煤层间岩柱),普式硬度系数为3;厚0.2～0.4 m的戊9煤层,普式硬度系数为1.0;厚1.2～3 m的砂质泥岩(煤层间岩柱),普式硬度系数为3;厚2.5～3.1 m戊8煤层,普式硬度系数为1.5;戊8煤层顶板为砂质泥岩,普式硬度系数为3。巷道设计净宽5.0 m,净高3.2 m,净断面16 m2,是典型的高应力小岩柱煤岩互层复合顶板大断面巷道。

图1 巷道平面布置图

2 支护方案设计

戊9－10－22180风巷外段开挖后,由于煤岩互层复合顶板稳定性差,变形量大,直接顶因弯曲变形与基本顶分离,应首先采用锚杆网＋钢筋梯子梁组合支护,并提高锚杆的预紧力,以此对顶板下部岩层及软弱煤层进行约束加固,使围岩处于受压状态,在锚固范围内形成第一层组合梁,可加大对顶板的控制范围,提高岩体自身的强度和稳定性,从而使巷道浅部的围岩与锚杆、钢筋梯子梁形成一个整体。高预紧力锚杆给岩体变形预留一定的变形量,便于围岩应力进一步释放,达到将直接顶挤压并悬吊在基本顶上、减少和限制直接顶的下沉、离层的目的。

其次,使用预应力锚索将围岩与锚杆、钢筋梯子梁所形成的整体牢固地锚固在稳定的岩层中,起到补强作用,这样对顶板深部锚固产生的悬吊作用更强,以减缓顶板下沉,将浅部岩体与深部岩体融为一体,使围岩发挥更大的承载作用,更加有效地减少顶板离层,提高巷道承载能力。

第三,如果想要戊9－10－22180风巷外段取得良好的支护效果,还需要解决锚网、钢筋梯子梁与锚索联合形成的组合梁的可靠性、悬吊基点的锚固力和加固拱的完整性及稳定性问题,则采取锚索梁固定锚索以增加锚索支护的整体性和支护强度,同时增加锚索张拉预应力以提高互层之间的粘合力;又由于顶板以上2.6 m位置处于戊9－10夹矸范围内,夹矸稳定性极差,可用锚索梁补强锚固并增加组合梁的厚度和强度,同时还要强力护表,防止局部破坏;巷道开挖后及时支护,充分利用各互层之间原始的粘合力,防止离层之后原始粘合力减小或破坏。

3 锚索网支护参数确定

戊9－10－22180风巷外段锚杆、锚索有效长度计算方法选择普氏自然平衡拱理论进行计算,具体计算公式可参照相关文献,此处不再详述。依据相应的理论计算公式分别对预应力锚杆和锚索的长度进行校核计算,计算可知锚杆长度要大于2.4 m,间排距为0.8 m,锚索长度要大于6.0 m,且单个锚索的加固范围以锚索为中心、半径约1.6 m的圆形区域。

根据工程类比法并参照邻近巷道支护状况,确定了戊9－10－22180风巷外段的支护参数。

(1)巷道顶板采用锚网、钢筋梯子梁、锚索梁联合支护,锚杆规格为ø22 mm×2600 mm高强锚杆,锚杆间排距800 mm×800 mm,配以由直径4 mm的冷拔钢丝加工成的、网格尺寸为50 mm的金属网,并用钢筋梯子梁连接加固锚杆;锚杆锚固采用MSCK2335型树脂锚固剂1支及MSK2335型树脂锚固剂2支,预紧扭矩不低于320 N·m,锚固力不低于150 k N,确保互层之间形成的组合梁结构的可靠性。沿巷道走向方向打设3排规格为ø21.6 mm×8000 mm锚索,用废旧U型钢加工成长度为2 m的梁将锚索张拉在梁上从而组成锚索梁,纵向前后连锁,锚索锚固采用MSCK2335型树脂锚固剂2支及MSK2335型树脂锚固剂4支,拉力不小于200 k N。锚索梁与钢筋梯子梁垂直布置,形成网格。戊9－10－22180风巷外段支护参数如图2所示。

巷道两帮采用锚杆支护和金属网护表,帮锚杆规格同顶板锚杆,间排距为700 mm×800 mm,金属网规格与顶板金属网规格相同,锚杆锚固采用MSCK2335型和MSK2335型树脂锚固剂各1支,预紧力不低于320 N·m,锚固力不低于150 k N,铺网时要求铺网平整,金属网搭接部分大于100 mm,每隔200 mm用14＃铁丝绑扎,且搭接部分要有锚杆穿过,并用锚盘压紧,使钢筋网紧贴岩面或煤壁。

图2 戊9－10－22180风巷外段支护参数

4 矿压监测

利用CMSW6(A)型锚杆(索)无损检测仪实测锚杆、锚索预紧力及受力状态,通过十字位移测点监测巷道收敛变形情况;采用YTJ20型岩层探测记录仪、顶板离层仪及时监控顶板松动、离层情况,离层达到经验值(50 mm)以上,立即采取补套36U拱形棚子补救。

采用YTJ20型岩层探测记录仪对顶板岩性及顶板离层探测,方法是自戊9－10－22180风巷外段开口位置起沿巷道走向每隔100 m,在顶板中间施工1个直径32 mm、深度8 m的探孔,探孔施工好后,用YTJ20型岩层探测记录仪对探孔进行窥视。探孔表明巷道顶板向上1.5 m处见0.2 m厚戊9煤层,上覆2.9 m处见戊8煤层底板,戊8煤层厚2.5 m处、4.4 m处和戊8煤层顶板及以上6.0～8 m范围段内顶板岩性较好,探孔各岩层间未出现裂隙。试验进一步验证了采用2.6 m锚杆和6.5 m锚索可锚固在稳定岩层中,6.5 m长锚索张拉强度可达到45 MPa以上。经过连续观测探孔煤岩互层变化情况,判断巷道顶板无离层现象。

5 支护效果

戊9－10－22180风巷外段采用锚网、钢筋梯子梁、锚索梁联合支护后,经过为期8个月的岩层探测,未发现钻孔岩壁有裂纹和离层现象。掘进期间巷道顶板下沉量最大23 mm,下沉速率平均1.3 mm/d;巷帮位移量最大70.1 mm,位移速率平均1.52 mm/d;巷道顶板深部下沉量0 mm,顶板浅部最大下沉量28 mm,平均23 mm;锚杆最大受力8.6 t,平均受力8.1 t。回采期间巷道顶板最大下沉量97.5 mm,平均下沉量78 mm,下沉速率平均7.1 mm/d;巷帮位移量最大216.5 mm,平均位移量186.7 mm,平均位移速率4.43 mm/d。

掘进期间净断面16 m2,回采期间由于采动影响,巷道局部出现收缩,断面可保证在13.2 m2以上。实事证明,回采期间的巷道有效断面不小于掘进设计断面的80%,说明高应力小岩柱煤岩互层复合顶板巷道采用高预应力锚杆、钢筋梯子梁、锚索梁联合支护可行,设计支护参数科学合理。

6 结论

戊9－10－22180风巷外段高应力小岩柱煤岩互层复合顶板采用锚网＋钢筋梯子梁＋锚索梁联合支护效果良好,完全可以代替架棚支护。采用高预紧力、大锚固力锚杆,可提高岩层间自身的粘合力,提高组合梁的强度;锚索补强、再加上强力护表和锚索梁,既能将下部煤岩互层悬吊于稳定的顶板中,又能补强围岩表层抗压性能,如此形成一个较为强大的承载体,具有良好的支护效果,可以满足高应力小岩柱煤岩互层复合顶板大断面煤巷支护要求。

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Research and application of bolt-mesh-cable-beam supporting technology for large-section coal roadway with compound roof

Chen Quanjian
(No.6 Coal Mine,Pingdingshan Tian＇an Coal Industry Co.,Ltd.,Pingdingshan,Henan 467000,China)

The large-section outer segment of airway ofⅤ9－10－22180 working face in No.6 Coal Mine of Pingdingshan Tian＇an Coal Industry Co.,Ltd.had coal-rock alternating compound roof with high-stress rock pillar,aiming at the rock stratum characteristics of airway,bolt-meshcable-beam combined supporting technology was adopted,and its schematic design and key technology were introduced,which achieved preferable effects in several roadway tests.

coal-rock alternation,compound roof,large-section coal roadway,bolt-mesh-cable-beam supporting

TD353

A

陈泉建(1969－),男,河南南阳人,高级工程师,中国煤炭工业协会支护专业委员会聘任支护专家,现任平煤股份六矿开掘副总工程师,主要从事开掘技术和管理工作。

(责任编辑 张毅玲)

陈泉建.复合顶板大断面煤巷锚网索梁支护技术研究与应用[J].中国煤炭,2017,43(1):72－74,93. Chen Quanjian.Research and application of bolt-mesh-cable-beam supporting technology for large-section coal roadway with compound roof[J].China Coal,2017,43(1):72－74,93.