东河煤矿恒阻锚索治理复合型顶板推广应用研究

何永强

(晋能控股煤业集团 太原煤气化公司东河煤矿,山西 临汾 041200)

复合型顶板亦称为离层型顶板,随着煤炭行业的不断发展,复合型顶板在煤矿实际生产过程中难于管理,发生顶板事故较多。另外,自2007年国土资源部首次提出“坚持科学发展,推动绿色矿山”以来,建设绿色矿山、发展绿色矿业已成为国家矿业界共同的行动纲领和发展目标。针对当前煤炭形式,加强顶板治理将是重中之重。本文通过恒阻锚索在东河煤矿顶板管理方面的技术应用实例,论述了其科学合理性,同时消除了顶板管理安全隐患,起到节本提效的作用[1-2]。

针对霍西煤田东河煤矿中厚煤层复合顶板条件复杂多变的特性,建立了巷道顶板分区方法,进行了全巷道顶板岩性结构探测分析,提出了不同顶板条件下恒阻锚索支护高度、切缝钻孔深度、切缝钻孔角度、装药结构、留巷顶板临时支护及挡矸支护参数的设计方法。

1 工程概况

东河煤矿2#煤层区域划分属霍西煤田,矿井技术改造升级后产能为90万t/a,2#煤为三分之一焦煤。其矿井地质构造相对简单,为低瓦斯矿井。煤层、煤尘均有爆炸危险性,同时煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类自燃煤层；煤层厚度平均1.60 m,直接顶为砂质泥岩、泥岩。根据顶底板岩石物理力学性质测试结果,泥岩抗压强度为21.4～90.0 MPa,平均66.2 MPa；抗拉强度为1.4～2.8 MPa,平均2.10 MPa,属软弱-坚硬岩石。砂质泥岩抗压强度为132.5～147.6 MPa,抗拉强度为2.3～2.7 MPa,平均2.10 MPa,属较坚硬岩石。其中，2206工作面埋深平均160 m；切眼长度190 m；切眼至停采线长度(留巷长度)425 m；工作面煤层倾角0°～5°,平均3°；煤层平均厚度为1.90 m；巷道沿煤层底板掘进施工,设计巷道断面为矩形布置,掘进巷道断面巷毛高2.4 m,巷道毛宽3.8 m,净断面巷道高度2.2 m,巷道宽度3.6 m。如图1所示。

图1 东河煤矿2206工作面沿空留巷巷道位置布置

2 恒阻锚索对复合顶板的控制

在对东河煤矿井下地质条件充分研究的基础上,分析2206工作面巷道顶板每个岩层的性质特点,以及采用传统锚-网-索支护所带来的巷道受力挤压变化。相对比较新型锚索的性质特征和构造特点[3],通过分析研判,充分了解掌握传统锚-网-索支护工艺特点、新型锚索支护短板与利弊点。在采用沿空留巷无煤柱开采(110工法)技术后,要使巷道靠近采空区应力传递重新分布[4],必须沿靠近煤帮采用水力切顶或采取定向爆破切顶,通过对巷道靠近采煤面顶板深度切缝后,伴随工作面回采,直接顶垮落堆积,通过巷帮29#U型钢挡矸,能够按照设计要求形成下一工作面的顺槽巷道。在顶板垮落过程中,巷内支护必须达到一定的强度才能保证留巷的稳定性,避免留巷初期顶板的快速下沉;同时需对中厚煤层复合顶板条件开采切顶卸压自动成巷巷内支护和巷旁支护相关的设备配套进行研究[1],如图2和图3所示。

图2 2206工作面顺槽顶板窥孔图

图3 2206运输顺槽顶板钻孔岩性分布示意图

采场进行顶板预裂爆破后形成切顶短臂梁结构,受采场上覆岩层运动及二次采动的影响,巷道顶板势必出现围岩大变形。传统的巷道支护技术无法满足巷道顶板的围岩大变形，尤其是受采空区上覆岩层应力传递的影响,切顶后的巷道顶板必然会有较大的变形量,恒阻大变形锚索能够忍受围岩的大变形,保证了巷道的稳定性[5]。

3 恒阻锚索对沿空留巷顶板的现场应用分析

3.1 回采巷道顺槽顶板稳定性

采用沿空留巷必须首先保证回采初期工作面巷道顺槽顶板完整稳定,能够防止跨冒、漏顶隐患危险的发生[2]。采用恒阻锚索在2206工作面运输顺槽沿空留巷前期进行二次主动支护,实现2206工作面运输顺槽恒阻锚索配合W钢带全巷道整体支护,进一步提升2#煤层砂质泥岩顶板在实体煤侧的抗弯抵抗力,使顶板离层和错动在可控范围内发生,从而有效杜绝受周期压力影响而导致的巷道冒顶。顺槽巷道发生一定形变时,恒阻锚索通过恒阻器产生动作,有效释放巷道形变能量,同时锚固支护阻力依然维持在相对稳定状态,实现了2206运输顺槽可控范围内的巷道形变,有效避免了顶板事故的发生。

3.1.1原有巷道支护形式

2206运输巷巷道顶板主动支护为锚杆配合锚索和钢筋网的联合支护,顶板支护沿巷道方向共设置5列,中间3列与巷道顶板沿水平呈90°夹角,靠巷道两帮与巷道水平呈75°夹角,配备铁制底托板;顶板每隔3.2 m在巷道中心线打1根锚索;巷道两帮同样采用圆钢锚杆配合金属网联合支护,锚索支护形式采用五花布置。当受地质构造引起顶板破碎时,通过缩小支护间排距重新挂网补强支护。巷道支护如图4和图5所示。

图4 2206运输顺槽原始巷道断面支护图

图5 2206运输顺槽原始掘进现场支护布置图

3.1.2恒阻锚索二次主动补强支护要求

恒阻锚索沿2206运输顺槽巷道方向共布置2列,第1列恒阻锚索沿顺槽切缝线法线方向600 mm布置,排间距800 mm;第2列沿中线布设,排距1 600 mm;靠切缝线侧第1列锚索全部配合W钢带联合支护,经综合分析研判,锚索采用矿方提供的直径为21.8 mm的钢绞线,专用恒阻器设计长度为500 mm,恒阻器外径设计尺寸为72 mm,要求现场支护恒阻值为294～343 kN,预紧力不小于245 kN。锚索钢绞线长度为10.3 m,恒阻锚索支护如图6和图7所示。

图6 恒阻锚索补强支护剖面图

图7 恒阻锚索补强支护平面图

3.2 高效退锚恒阻锚索措施

沿空留巷(2206运输顺槽)留出的顺槽巷道服务于下一个工作面(2202工作面)后,在沿空留巷顺槽内回采(2202工作面)推进时,由于巷道顺槽整体支护要使尾巷跟随工作面周期来压垮落,不出现大面积悬顶,在巷道原有支护常规退锚的基础上,必须对恒阻锚索进行退锚作业。如何做到既提高工作效率,降低工人劳动强度,还能及时退锚恒阻锚索,是顶板治理需要解决的又一项技术问题。

恒阻锚索分别由恒阻器、锚索体、托盘和螺母组成,如图8所示[4]。图中说明如下：

(a)恒阻器结构图

1)锚索选用Φ21.8 mm×10.3 m恒阻锚索;

2)树脂药卷采用MSCK2360型锚固剂3卷;

3)W钢带规格为2 200 mm×280 mm×3 mm;

4)锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm的钢板;

5)恒阻器规格为HZS35-300-0.5,直径为72 mm;

6)锚具规格21.8型。

根据静态拉伸实验对恒阻锚索拉力干预所得结果(图9)[3]显示,在力的相互作用干预下,其工作阻力开始逐渐升高,恒阻器进行动作并出现滑移形变,直至恒定阻力处于一段相对稳定状态,达到其恒阻作用阶段,恒定阻力稳定状态在恒阻器外锁具滑移330～410 mm后发生急剧变化,因此要求在实际使用现场其工作阻力在300～350 kN。恒阻锚索支护现场如图10所示。

图9 静态作用力拉伸曲线图

根据作用力与反作用力原理,通过认真分析恒阻锚索静力拉伸实验曲线[5],结合现场多次反复实践,确定采用TQ22-400/63型锚索张拉泵进行预紧力干预,如图11所示。

图10 恒阻锚索现场支护图

图11 恒阻器力学模型

选用TQ22-500型张拉泵超过锚索锚固极值,顺利实现2202工作面沿空留巷顺槽全部退锚,确保顺槽尾巷随回采推进及时垮落,同时将实现材料复用回收,如图12所示。

图12 2206运输顺槽预紧力拉伸

3.3 恒阻锚索载荷情况

通过实验，在锚索端部施加外围干预作用力，使其位移发生变化并进行监测,从而能够直观观测到恒阻锚索支护方式在支护顶板过程中的载荷情况,为施工作业现场提供详实可靠的支护参数,再次干预巷道的围岩控制形变量,确保其支护可靠有效[6]。具体布置情况如图13所示。

图13 2206工作面矿压监测布置示意图

2206工作面沿空留巷回采推进前,首先由技术人员对巷道及工作面的变形和受力情况进行全过程监测,回采工作面每间隔12 m对支架压力进行监测。2206留巷顺槽内重点对巷帮、顶板、底板的移近量进行监测,同时重点监测恒阻锚索受力情况,切眼后200 m范围内共布置10个监测点,切眼外每一个监测点相距50 m左右,重点监测锚索锚固力和锚索载荷。人工实地测量监测与检测设备相互进行比对监测,充分掌握锚索及恒阻器的工作状况[6]。具体检测结果如下。

1)伴随着2202回采工作面的回采持续推进,顶板集中应力不断传递,根据现场实地观测统计,集中应力超前影响范围为30～33 m,平均32 m,如图14所示。

图14 恒阻锚索现场变形量观测

2)回采工作面留巷顺槽尾巷约在25 m范围内,受工作面周期来压影响顶板周期垮落,集中应力重新分布,锚索应力逐渐减小;尾巷后约60～75 m范围,随着回采工作面推进速度加快,出现新的应力波动,最终趋于稳定,如表1所示。

表1 锚索应力变化关键位置及最大拉应力

3.4 顶板离层变化情况

通过对2206运输顺槽顶板离层变化规律进行分析发现,工作面推进速率对巷道顶板离层产生的直接影响一般处于超前25～30 m范围内。根据观测数据(表2),工作面切眼超前支护15～20 m巷道顶板出现离层现象。滞后工作面100 m范围内,顶板离层变化量相对较大,工作面回采过后,顶板离层值趋于稳定时滞后工作面的距离分别为41 m、96 m、47 m、144 m和98 m。通过观察顶板,相对稳定位置为滞后工作面140～150 m处。

表2 工作面回采推进影响顶板离层变化情况

3.5 留巷效果

通过恒阻锚索在东河煤矿2206运输顺槽的实践应用,研究了传统留设煤柱与沿空留巷所反映出巷道顶板应力的分布规律,以及沿空留巷技术方法选择的合理性。通过现场实验进一步验证了恒阻锚索在顶板治理过程中的关键作用(图15),从根本上防治了矿井因为留设煤柱带来巷道鼓帮、应力集中引起的下顺槽巷道维护困难等技术难题,解决了因掘进导致接续紧张问题,实现了延长矿井年限及无煤柱高回收率开采。

图15 2206工作面运输顺槽沿空留巷效果

通过矿压监测可知,采用恒阻锚索支护控制2206回采工作面顺槽顶板沿空留巷切顶影响区较留设煤柱即121工法区,平均压力减小4.2 MPa,降低了17.1%,影响范围30 m。通过巷道离层、顶底板及两帮位移、锚索与支柱受力及活柱缩量的观测,得到工作面超前应力产生影响范围约30 m;当滞后工作面距离大于约160 m后,巷道顶板离层、锚索应力、液压单体支柱与顶板下沉量趋于稳定。当滞后工作面距离大于160 m后,巷道围岩基本稳定。

4 结论

1)通过恒阻锚索在东河煤矿2206回采工作面的现场实验,证实了该技术在东河煤矿实施沿空留巷无煤柱开采过程中取得了预期效果。根据现场采集顶板压力数据分析,此支护工艺可推广应用至掘进、开拓巷道过地质构造、大断面丁型巷道掘进开口顶板跨度大于8 m等加强支护区域。

2)2019年9月东河煤矿首先在二采区2206工作面运输顺槽实施沿空留巷无煤柱开采新技术,经过一年来的现场试验研究,水力或定向爆破提前对直接顶顶板进行深孔切缝,伴随回采推进矿井周期来压,留巷顺槽内经过整体护帮及二次顶板主动支护,顺利留巷425 m,实现了真正意义的无煤柱开采。

3)自2019年9月开始实验论证,截止2021年2月24日，2202工作面安全顺利回采结束,成功留巷425 m；同时2202回采工作面回采推进过程中，沿空留巷顺槽(2206运输顺槽)经过恒阻锚索退锚后，能够伴随周期来压全部垮落,避免了因恒阻锚索整体支护造成的悬顶面积过大等隐患的发生。