综采工作面超前支护技术研究与应用

冀中能源股份有限公司东庞矿 河北 邢台 054000

0 引言

东庞矿21219工作面开采2#煤层,面长220m,平均回采长度1120m。工作面内煤层沉积较稳定,结构复杂,煤层总平均厚度4.9m,平均倾角5°。工作面直接顶为深灰色粉砂岩,平均厚度1.9m;老顶为浅灰色细砂岩,平均厚度9.67m。

工作面皮带巷为沿空巷道,巷道断面:宽×高=4.5×4.0m,巷道支护技术参数为:每排6根顶锚杆,顶锚杆间排距为800×800mm,顶锚索间排距2×2.4m,顺巷距巷中1.0m各布置一道,迈步式连锁。工作面轨道巷为实体煤巷道,巷道断面:宽×高=5.5×4.0m。巷道支护技术参数为:巷道顶板每排8根顶锚杆,顶锚杆间排距750×800mm,顶锚索为三道点锚索,间排距1.2×2.4m,巷中一道,距巷中1.2m各布置一道。

目前采煤工作面轨道、皮带巷常用的超前支护有:单体铰接顶梁、自移式液压支架、架棚式等加强支护方式。

结合工作面生产地质条件及超前支护方式的适用性,21219工作面轨道巷、皮带巷采用加密顶板锚索的方式进行超前支护作业。

1 顶板加密锚索超前支护方式及支护验算

1.1 加密顶板锚索超前支护具体方式 皮带巷:沿巷中施工一排槽钢锚索加强支护,间距为2.4m。轨道巷:超前采线不少于50m在原巷道每两排支护点锚索之间施工一道锚索槽钢,锚索距巷中1.2m,槽钢垂巷布置,槽钢排距为2.4m。

1.2 巷道原支护参数设计验算 参考《煤巷锚杆支护技术规范》,轨道巷、皮带巷支护参数计算如下:

1.2.1 选用的顶锚杆技术参数如下 顶锚杆技术参数:公称直径22mm,杆体长度2400mm,螺纹承载力127k N,破断力185k N,屈服力127k N,延伸率15%。

1.2.2 皮带巷按自然平衡拱原理计算,潜在冒落拱高度b值为:

式中:b—潜在冒落拱高度,m;

a—巷道跨度之半,取2.25m;

h—巷道高度,取4m;

φ—煤体内摩擦角,按普氏坚固性系数反算,取51°20'25″;

φ'd—顶板岩体似内摩擦角,按普氏坚固性系数反算,取71°33'54″

单位长度内顶板岩层重力为:G1=K×B×b×r×1

式中:G1——单位长度内顶板岩层重力,k N;

K——安全系数,取值范围2-3,取2.5;

B——单位长度内需支护的顶板宽度,4.5m;

b——垮落顶板厚度即潜在冒落拱高度,取1.22m;

r——自然视密度,24k N/m3;

即G1=K×B×b×r×1=2.5×4.5×1.22×24×1=329.4k N

皮带巷每排布置顶锚杆6根,锚杆排距0.8m,则单位长度内巷道顶板布置顶锚杆的根数为:6÷0.8=7.5根

顶锚杆屈服载荷127k N,轨道巷锚网支护对顶板的有效支护作用力为:

127×7.5=952.5k N>329.4k N

结论:经计算原巷道锚网支护对巷道顶板的作用力足以支撑冒落拱岩石重力。

1.2.3 轨道巷按自然平衡拱原理计算,潜在冒落拱高度b=1.384;

单位长度内顶板岩层重力为:G1=456.72kN

轨道巷每排布置顶锚杆8根,锚杆排距0.8m,则单位长度内巷道顶板布置顶锚杆的根数为:8÷0.8=10根

顶锚杆屈服载荷127k N,轨道巷锚网支护对顶板的有效支护作用力为:

127×10=1270k N>456.72k N

结论:经计算原巷道锚网支护对巷道顶板的作用力足以支撑冒落拱岩石重力。

1.3 加密顶板锚索超前支护设计验算 按原巷道锚杆不参与承载,自然冒落拱范围内岩石全部冒落,冒落岩石的重力全部由锚索支撑。支护锚索规格Φ17.8mm×8.5m,锚索详细参数如下:

顶锚索参数:直径17.5mm,强度级别1860MPa,公称截面积197.9 mm2,质量1659kg/km,破断力353kN,屈服力318kN,延伸率3.5%。

1.3.1 皮带巷加密锚索计算 根据前述计算可知,皮带巷冒落拱高度为1.22m,则加密锚索间距计算:

自然平衡拱平衡方程:D×γ×a×b=n×N式中:D—锚索排距,m

γ—顶板岩石平均容重,2.4t/m3

a—巷道顶板有效跨距,4.5m

b—自然平衡拱高度,1.22m

n—每排锚索数量,3根

N—锚索设计锚固力,取锚索屈服强度31.8t

锚索排距:D=n×N/(γ×a×b)=7.2m

巷道宽度4.5m,设计锚索孔至巷帮1.25m,则每排锚索间距S=1m。符合规范规定L/S≥2的要求。注:L为锚索长度,8.5m。

实际施工时沿巷中新施工一排槽钢锚索加强支护,间距2.4m。

1.3.2 轨道巷支护锚索密度计算 根据前述计算可知,轨道巷冒落拱高度为1.384m,则计算的支护的锚索间距为3.4m。

巷道宽度5.5m,设计锚索孔至巷帮1.55m,则每排锚索间距S=2.4m。符合规范规定L/S≥2的要求。

实际施工时距巷中1.2m处施工两排锚索加强支护,用垂巷槽钢进行联锁,间排距2.4m×2.4m。

2 超前支护范围变形观测

2.1 测站布置 两巷自煤壁向外100m范围内间隔10m均匀布置10个矿压观测站(采用收敛观测法,十字布线),观测巷道顶板下沉量、两帮移近量及底板鼓起量。根据工作面推进,测站依次向外循环布置。

2.2 观测方式 巷道变形观测站距工作面100m范围内每3天观测一次,100m之外以巷道顶板离层仪变化作为观测数据,每周1次。发现异常及时对监测数据进行分析,采取整改措施并落实。

3 结论

(1)通过观测,轨道巷:顶板最大下沉量40mm,底鼓最大值300mm,沿空侧巷帮最大变形量300mm,回采帮最大变形量200mm。

皮带巷:顶板最大下沉量30mm,底鼓最大值270mm,回采帮最大变形量290mm,实体煤侧巷帮最大变形量190mm。

(2)针对21219工作面,顶板加密锚索支护形式有效控制了两巷超前支护段巷道变形,起到超前支护的作用。