余吾煤业掘锚一体化机组煤巷快速支护技术研究与应用

段 瑞,杨亚威,杨永康

(1.山西潞安矿业集团有限责任公司 余吾煤业有限责任公司,山西 长治 046100;2.太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024)

高产高效综采工作面通常采用多条巷道的布置方式,随着煤炭产量的增加，煤巷掘进的速度随之提高,为此余吾煤业引进了掘锚一体化机组,通过实现掘锚平行作业来大幅度的提高掘进速度。国内在掘锚机组方面出现了不少问题[1],应用效果参差不齐。目前,余吾煤业煤层巷道多数采取沿底板掘进,使用掘锚一体化机组初期,成巷速度在每月200 m～300 m,成巷效率不高,没有充分发挥掘锚一体化机组的优势,制约着矿井的安全高效生产。针对余吾煤业采用掘锚一体化机组成巷效率不高的问题,以S1203胶带顺槽的快速掘进为工程背景,在不改变掘锚一体机组等施工机具的条件下,改变支护方式,优化支护工艺,充分利用新型支护技术的优点,实现余吾煤业掘锚一体化机组煤巷支护速度的大幅度提高,并保证回采巷道的安全可靠。

1 工程概况

山西潞安集团余吾煤业井田南北长16 km,东西宽10 km,总面积为161.205 km2,可采储量6.79亿t。现主采3#煤层,余吾煤业S1203胶带顺槽东接S1203工作面切眼(未掘),西接南翼胶带大巷(已掘),北面、南面均为实体煤。S1203胶带顺槽沿3#煤层底板掘进,巷道最高点位于切眼交汇处,地面标高+912 m ～+930 m,井下标高+452 m～+557 m。S1203工作面胶带顺槽全长1 952 m,开口段(150 m)已施工完毕,S1203胶带顺槽从S1203胶顺回风联巷与S1203胶带顺槽交叉点处开始掘进至S1203工作面切眼,长1 802 m,掘进断面宽5.2 m,高3.8 m,掘进断面面积19.76 m2。S1203胶带顺槽位置如图1所示。

图1 S1203工作面平面布置图Fig.1 Layout plan of S1203 working face

3#煤层厚度6.25 m,煤层倾角为-3°～+7°,平均倾角为+4°;老顶为中粒砂岩,厚度13.90 m;直接顶为粉砂岩,厚度1.82 m;直接底为粉砂岩,厚度0.63 m;老底为细粒砂岩,厚度1.22 m。S1203胶带顺槽顶板岩层钻孔柱状图如图2所示。

图2 顶板钻孔柱状图Fig.2 Stratum histogram of boreholes on roof

2 S1203胶带顺槽原支护技术

S1203胶带顺槽巷道断面呈矩形,原支护采用锚(网)索联合支护。

1)顶板支护。锚杆杆体为Φ22 mm、长度2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢钢筋,锚固方式为树脂锚固剂加长锚固,用2支K2350快速树脂锚固药卷锚固,采用双钢筋梯子梁,钢筋梯子梁由直径16 mm的光圆钢筋焊制而成,“一梁七孔”,梁长5 000 mm,顶网采用金属经纬网，尺寸为5 600 mm×960 mm,网格规格40 mm×40 mm,锚杆布置排距900 mm,每排7根,间距800 mm,锚杆扭矩为300 N·m。锚索材料为Φ22mm、长度8 300 mm、1×7股高强度低松弛预应力钢绞线,采用3支K2350低粘度快速树脂锚固药卷锚固,锚固长度为1 500 mm。锚索沿巷道前进方向按“2-2”布置,间排距2 200 mm×900 mm。锚索预紧力为250 kN。

2)巷帮支护。锚杆规格与顶板相同,采用150 mm×150 mm×10 mm蝶形高强度托板,采用金属网护帮,网片尺寸为2 000 mm×960 mm,锚杆排距900 mm,每帮5根锚杆,间距800 mm。原方案支护参数见图3。

3-a 支护断面

3-b 顶板仰视图图3 S1203胶带顺槽原支护方案Fig.3 Original support plan of S1203 belt conveyor gateway

3 掘锚一体化快速掘进临时支护合理初撑力分析

临时支护的护顶效果直接关系到顶板的安全,掘锚机组具有机载临时支护系统,可进行有效的临时支护。余吾煤业S1203胶带顺槽所采用的12CM30掘进机有前配套临时支撑系统[2-3],利用4台钻臂支撑住顶、底板,该临时支撑系统采用4个液压缸体支撑,在支护过程中不需要进行移动,形成可承受大压力的面式支护系统,性能安全可靠。

为确定S1203胶带顺槽采用掘锚机掘进时最为合理的初撑力,采用FLAC3D数值模拟软件[4-5],研究分析在无临时支护和临时撑柱阻力为0 kN、200 kN、300 kN条件下的围岩变形。模拟巷道采用第二节所述的支护方案,不同初撑力条件下,巷道开挖支护后其围岩内垂直应力分布情况如图4所示。

图4 不同初撑力条件下围岩应力分布状况Fig.4 Stress distribution of surrounding rock under different setting loads

巷道开挖后,巷道两帮围岩内出现相应的垂直应力峰值区,随着临时支护初撑力的增加,巷道两帮浅部围岩内应力峰值逐渐降低,且应力峰值的覆盖区域逐渐减小。初撑力达到200 kN以后,初撑力继续增大,围岩内垂直高应力区范围基本不变。

不同初撑力条件下,围岩的位移量变化如图5所示。

图5 临时支护与围岩变形关系Fig.5 Relationship between temporary support and surrounding rock deformation

有无临时支护对顶板位移的影响很大,同时初撑力的大小对底板底臌量影响也较大。两帮的变形量随着临时支护阻力的增大仅有微小的变化,初撑力由0增大至200 kN,顶板下沉量和底板底臌量均大幅度减小,初撑力由200 kN继续增大至300 kN,巷道围岩的位移量变化幅度很小,因此应将临时支护的初撑力控制在200 kN～250 kN范围内。

4 掘锚一体化围岩控制技术

4.1 锚杆间排距优化

S1203胶带顺槽若采用掘锚一体机进行掘进,第二节所述的支护方式过于复杂,严重影响施工的效率。根据S1203胶带顺槽具体的地质与生产技术条件,原有支护方案锚杆支护密度过大,需对其间排距进行优化。为确定合理支护方案,需要分析锚杆间排距对S1203胶带顺槽围岩稳定性的影响,对比后得出更为合理的支护参数。先进行顶板锚杆支护参数的优化,设计支护方案一、方案二、方案三、方案四。顶板锚杆每排分别为3、4、5、6根,排距为900 mm,两帮各4根锚杆,最终得到不同支护方案下围岩的位移情况，如表1所示。

表1 不同方案下巷道围岩变形情况Table 1 Surrounding rock deformation with different supporting plans

随着顶板锚杆个数的增加,巷道围岩的变形量逐渐减小,其中顶板锚杆由3根增加到4根,顶板和两帮的位移量分别减小49.8%、28.9%,而顶板锚杆个数由4根增加到6根,顶板和两帮的位移量仅分别减小20.2%、18.4%,由此可知,支护方案2最为合理,即顶板支护每排4根锚杆。采用同样的方式进行锚杆排距的模拟,得到锚杆最为合理的排距为900 mm。

4.2 锚索支护参数优化

图6是不同锚索长度条件下巷道顶板岩层内预应力场的分布情况(锚索预应力为220 kN)。

图6 不同锚索长度条件下围岩应力分布Fig.6 Surrounding rock stress distribution under different anchor cable lengths

从图6可看出以下几点:

1)锚索长度增长后,在施加相同的预应力条件下,锚索中部及以上部分的压应力并没有随着锚索长度的增加而升高,而是在降低,说明随着锚索长度的增长,锚索对中部及上部围岩的支护作用降低。

2)锚索长度增长后,在施加相同的预应力条件下,有效应力区减少,因此可知:①当锚索预应力一定,长锚索的主动支护作用不如短锚索;②适当减少锚索长度并提高锚索的预应力,可取得更好的支护效果。

根据目前余吾煤业锚索施工技术条件及地质特征,锚索长度选择在3.8 m～5.9 m之间比较合理,根据余吾煤业现有的设备,设计顶板支护采用长度为5.3 m的高强锚索,为保证支护强度设计每排3根。

5 现场施工方案及效果分析

5.1 施工方案

综合以上研究成果,最终得到S1203胶带顺槽的支护详情，如图7所示,顶板锚杆由7根减少为4根,间排距调整为1 400 mm×900 mm,锚杆规格和锚固方式与原有支护方案相同,所有锚杆垂直顶板安装。锚索材料采用Φ22mm、长度5 300 mm的1×7股高强度低松弛预应力钢绞线,用1支MSCK2335和2支MSZ2360树脂锚固剂,锚固长度1 970 mm。每排锚杆打设3根顶锚索,锚索距巷帮1 200 mm,间距1 400 mm,排距900 mm,垂直顶板岩层。两帮每排4根锚杆,间排距为1 000 mm×900 mm,其余参数不变。锚杆预紧扭矩由300 N·m提高到400 N·m,锚索预紧力由250 kN提高到300 kN,采用掘锚一体化机组提供200 kN～300 kN的临时支护阻力,施工中将顶板中间锚索和两帮下部2根锚杆滞后补打。

7-a 支护断面

7-b 右帮支护详情

7-c 顶板支护参数图7 S1203胶带顺槽支护详情Fig.7 Supporting situation in S1203 belt conveyor gateway

5.2 应用效果

通过矿压综合观测得到巷道表面位移观测曲线，如图8所示。

8-a 1#测站

8-b 2#测站图8 巷道表面围岩位移观测曲线Fig.8 Observation curves of surface surrounding rock displacement

从观测曲线可以看出,巷道变形速度与时间呈负指数分布,巷道顶板的最大下沉量为26 mm,工作面侧(左帮)最大移近量18 mm,外侧帮(右帮)最大移近量为13 mm,没有底臌,巷道变形得到有效的控制,支护效果良好。

6 结论

为解决余吾煤业掘锚一体化机组施工效率低的难题,结合井下掘锚一体化机组的使用问题,针对余吾煤业回采巷道原支护方案锚杆密度大、锚索长度过长和锚杆角度过大等问题,对巷道的支护方案和施工方案进行优化,优化后施工方案在S1203胶带顺槽应用效果良好,巷道掘进速度有了明显提高,从7.2 m/d可提高到12.6 m/d,最明显的一个月从140 m提高到300 m,掘进一体化机组的快速支护工艺得到很大的完善,取得了较好的技术和经济效果。