锚杆支护在煤矿井下大断面复合顶板的应用

2018-02-16赵明亮

机械管理开发 2018年3期

赵明亮

（山西焦煤汾西矿业集团高阳矿，山西　孝义　032306）

引言

贺西煤矿属于大型矿井，年产煤量已经达到了180万t，且煤层结构较为简单，厚度均为2 m左右，直接顶为砂岩，厚度为1.4 m。但伪顶为页岩，厚度仅为0.4 m且容易坍塌破碎，此区域内的煤层赋存较为稳定，伪顶与直接顶之间还夹着0.2 m厚的煤层。当存在压力或者遇到风化问题时，此层伪顶很容易破碎，为工作面的顶板支护带来了诸多问题。

长期以来，贺西煤矿始终全面推行煤巷锚网喷浆联合支护巷道，这种支护方法安全可靠具备较高的经济价值，且其控制围岩变形的效果也很好，施工速度较快。但在大断面拱形巷道的挖掘施工中还是首次使用，为了在大断面拱形巷道施工过程中全面使用煤巷锚杆支护方法，我们在三采区第四风巷工作面进行了实验探究，不但提升了煤矿生产的安全性，也创造了较好的经济效益。

1　锚杆支护简介

锚杆支护主要是利用树脂锚固剂搭配各种材质的锚杆进行的工程支护技术，其将树脂胶泥作为基础的胶粘剂以及固化剂，将锚杆装进钻孔中，按照一定速度进行旋转搅拌，直至将其推至钻孔底部，以充分混合两种化学物质，而黏结剂会迅速聚合并将锚杆与钻孔孔壁紧紧的粘接在一起，在安装托板并拧紧螺母，以对周围的岩石起到固定作用。在锚杆支护过程中应做到钻孔直径、锚杆直径以及锚固剂直径的有效配合，进而确保锚杆支护达到最佳状态。

1.1　钻孔直径

钻孔直径由锚固力、锚固成本以及锚固效率所确定，且树脂锚杆锚固力在25～29 mm的孔径区间内，随着钻机直径的增大而增大，直至达到最大29 mm。在超过29 mm后会急剧降低。而通过类似的实验也可以证实，直径为18 mm的锚杆，钻孔直径在26 mm时的锚固力最大，而直径为16 mm的锚杆，当钻孔直径为25 mm时的锚固力最大[1]。由此可以看出，钻孔直径越大，锚固成本越高，且钻孔的时间也越长。

1.2　锚杆直径

当前国外大多采用20～22 mm的锚杆直径，但由当前我国设计及施工情况来看，锚杆直径大多保持在16～22 mm之间，且多数集中在18 mm左右，明显较小。目前国内很多专家都研究了锚杆的直径与长度问题，结果显示，锚杆长度与直径都存在极限值，且并非越长取得的效果越佳。

具备代表性的研究主要包括以下几点：一是锚杆尾部剪应力不超过黏结剂极限强度决定了锚杆的整体长度，且锚杆的极限直径也由最大的轴向力与剪应力决定。二是锚杆的极限长度因大于塑性区域的厚度，且不得超过塑性区域的范围。三是通过分析近万个数据信息可以发现，锚杆长度与直径存在合理数值。通过上述研究，我们提出了“三径”匹配方案。即锚杆直径的增大会进一步加大锚杆的锚固力，且增大了支护成本。但实际工程中在确定锚杆直径时也应综合考虑多种因素，要在保证锚杆可靠支护阻力的同时，使用经济可行的技术方法，以充分满足支护阻力、技术可行性以及经济合理性等要求。综合分析发现，煤矿井下工程中应采用18～22 mm的锚杆直径[2]。

1.3　树脂锚固剂直径

在确定树脂锚固剂直径时应遵循两个基本原则，一是在确定钻孔直径的条件下，确保锚固剂的顺利安装；二是在确保树脂锚固剂顺利安装的前提下，尽量增加直径。树脂锚固剂直径的增大具备以下几种优势，一方面，锚杆在搅拌树脂锚固剂时，可以确保树脂胶泥与固化剂的充分混合，以更好的发挥出树脂锚固剂的强度；另一方面，在使用相同体积的树脂锚固剂时，由于直径的增大，可以缩短锚杆的总长度，以减少装入时间，确保安装的顺利进行。

综合分析研究结果可以发现，在29 mm钻孔中可以使用直径在18～22 mm的锚杆。

2　后支护技术

2.1　巷道断面

根据矿井的实际配风量，三采区第四回风巷的断面应该设计为半圆的拱形巷道，且墙高为1.7 m，净高度为4.1 m，净宽度为5 m，断面的面积为18.317 m2。

2.2　锚杆支护

顶板的锚杆呈矩形布置，且每排为14根，且两帮拱基线下为2根锚杆，其间距为800 mm，排距也为800 mm。

2.3　顶板锚杆

顶板设置10根锚杆，且锚固长度保持在1300～1500 mm，帮锚每孔使用1支K3537，锚索然孔使用1支K2355以及2支Z2355锚固剂，且铺设好相应的钢筋网。

2.4　混合喷浆

采用标号为C20的混凝土，水灰比例保持在0.4～0.5之间，且水泥与沙子的配比体积为1∶3，水泥使用普通的硅盐酸水泥，而砂子中的粗砂含水量应保持在4%～6%左右，含水量不得超过3%[3]。

2.5　第四回风巷的支护

第四回风巷的断面较大，受风化、膨胀以及离层等因素的影响，顶板很容易出现垮落问题。为此，必须做好支护工作，在支护帮顶锚杆时，应紧随工作面进行喷浆，且之间的距离应保持在30 m之内。以便提供高强度的阻力，阻止顶板岩层出现下沉位移问题。

3　施工保障技术

应按照综掘机截割、巷道拱基上部、出煤、临时支护、打顶锚锚杆、铺金属网、上托盘以及拧紧螺母等流程进行施工，具体措施如下。一是应严格控制综掘机截割巷道成形，避免因超挖或者欠挖等问题形成较大误差，为此后的喷浆工作带来不便。二是工作面最大的空顶距离应保持在2 m左右，且顶部锚杆也应紧跟工作面，减少顶板的暴露时间，确保够一排锚索排距，就及时打一排，以充分发挥出围岩自身的稳定性。三是应严格按照施工流程进行打眼工作，并安装锚杆，完成铺网。且打眼时必须垂直进行，不能出现台阶，且安装粘固剂的顺序也不能发生颠倒，确保足够的搅拌及等待时间。四是当煤体较为松软时，应缩短整个地段综掘截面的宽度，并缩小锚杆之前的间排距离。五是应使用高强度的螺纹钢锚杆，不得使用普通金属的锚杆。六是由于锚杆支护具备较大的隐蔽性，为此施工人员还应严格检查工程质量，加强现场监督的力度，以确保锚杆支护可以满足基本的设计要求，并及时补打不合格的锚杆。七是应做好巷道向外的排水工作，减少水对巷道质量的影响[4]。

4　监测

为了进一步检验锚杆施工的质量水平，验证锚杆的具体支护效果，科学评价相关参数的合理性，建立了锚杆支护巷道的检查系统名，其可以充分反映锚杆在围岩中的受力情况，以及围岩的实际变化情况。一方面是测定航巷移近量，在巷道内每隔250 m设置两个观测断面，且两个观测面为2 m，以测定巷道顶底以及两帮的移近量。在掘进过程中，两帮最大的移近量为350 mm，且底板最大的累计移近量为200 mm，巷道顶板更为稳定。但由于底板成分为泥岩，遇水很容易出现底鼓问题，因而在后期施工过程中，还应紧跟工作面进行喷浆工作。另一方面是观察离层指示仪，在风巷工作面每隔250 m设置一个离层指示仪观察点。在掘进过程中，由10天的监测结果可以看出，巷道顶板离层量保持在100 mm以内，且距迎头超过120 m后开始趋于稳定。