二分层采空区下锚网支护的研究与应用

2023-12-09田中春

山东煤炭科技 2023年11期

田中春

（山东能源枣矿集团柴里煤矿，山东滕州 277500）

1 概况

1.1 巷道概述

柴里煤矿3606 工作面3 层煤上分层已开采完毕，3上煤层顶板已全部冒落。现设计开采3 层煤下分层，63下06 运输巷即为3 层煤下分层回采巷道，工程量为1 026.627 m，服务至63下06 综放工作面回采结束。3下煤层直接顶为泥岩，厚0.76～4.50 m，平均2.29 m；基本顶为中砂岩，厚5.13～23.64 m，平均11.30 m。3 煤已开采上分层，剩余3下煤厚2.95～11.78 m，平均5.76 m，局部含一至两层泥岩夹矸，厚0～0.34 m，煤层结构复杂，煤层硬度为2.2～2.5，煤层稳定程度为稳定，煤层井下标高-63.6～-126.2 m。直接底为泥岩，厚0.40～11.25 m，平均3.12 m；基本底为砂泥岩互层，厚1.32～4.22 m，平均2.11 m。具备开展锚网梯+锚梁支护方式的可行性条件。

1.2 井下位置及水文情况

井下位于一水平六采区北部，南为63下03 工作面采空区，西为田岗断层附近构造复杂区，东为63下06 设计面里，北为未开采区，上部为6305 一分层采空区。经分析，根据6305 工作面开采期间防尘、长短壁注水等生产用水资料及3 煤顶板砂岩出水情况分析，预计在工作面采空区内存在一定量的采空区积水，预计积水下限标高-116.5 m，积水量约21 150 m3，对掘进期间的安全存在一定影响。

1.3 矿井自然发火期，煤尘爆炸指数

该矿井为低瓦斯矿井，瓦斯涌出量低，CH4相对涌出量为0.7 m3/t，CH4绝对涌出量为3.72 m3/min；CO2相对涌出量为0.91 m3/t，CO2绝对涌出量为4.81 m3/min。该工作面大部分为砂质开放性顶板，不利于瓦斯的赋存。

煤尘具有爆炸性，其爆炸指数为37.49%，煤层自燃倾向为二类，自然发火期为48 d，为低瓦斯矿井。本井田地温为27.5 ℃，井田内不受冲击地压的影响。

1.4 提出支护优化的原因背景

63下06 运输巷地面标高为+38.56～+40.92 m，井下煤层底板标高为-63.6～-126.6 m。该巷道设计全长1 026.9 m，上分层已开采冒落。63下06 运输巷沿3 煤底板在3 煤中掘进，开始施工前400 m 区段顶煤厚度不大于1.5 m，采用12#工字钢棚支护。由于顶煤较薄，工字钢棚几乎无初撑力，与上分层采空区构成裂隙，带来了向上分层采空区漏风的安全隐患。再向前掘进，剩余3 煤下分层煤厚3.1～4.0 m，必然导致工字钢棚顶与采空区直接相通，将引发采空区高温，甚至产生发火危险。以上原因带来了重大隐患，影响矿井的安全生产。为此，进行此巷道的安全支护优化研究，在采空区下进行锚网支护研究与探索[1-5]。

2 施工工艺优化

2.1 巷道断面

1）原支护方式采用12#工字钢梯形棚支护作为永久支护，巷道支护规格为梁× 腿＝3.8 m×3.0 m，掘进荒断面S荒=14.24 m2，掘进净断面S净=12.69 m2。

2）现采用锚网梯+锚梁支护，巷道断面为矩形，

净断面为宽×高=3.8 m×2.6 m，S净=9.88 m2，荒断面为宽×高=4.0 m×2.8 m，S荒=11.2 m2。

2.2 支护材料

1）巷道顶部选用MSGLW-500/18×2400 无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，间排距（850 mm×900 mm）±100 mm，配合使用钢筋网和钢筋梯护顶；巷道帮部锚杆使用MSGLW-500/18×2400 无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，间排距为（800 mm×900 mm）±100 mm。

2）金属菱形网。所使用的金属菱形网为8#铁丝编制的金属网，金属菱形网变形严重的不得使用，菱形网的使用见永久支护各断面支护要求。帮部使用金属菱形网护帮，规格为长×宽=2800 mm×1000 mm。菱形网之间零搭接，金属网后严禁充填矸石、坑木。帮部煤体破碎、破泥岩区域，局部可以使用钢筋网代替菱形网，确保支护效果，钢筋网网格为50 mm×100 mm。

3）钢筋网。顶部铺设双层钢筋网，网格要错格铺设，钢筋网使用Φ6.5 mm 冷拔钢丝焊接成网，网格为100 mm×100 mm，钢筋网规格为长×宽=4000 mm×1000 mm。钢筋网与钢筋网之间搭茬半格（50 mm），顶部钢筋网和帮部菱形网之间要搭茬一格。

4）钢筋梯。顶部使用Φ14 mm 圆钢焊接，钢筋梯规格为长×宽=3800 mm×80 mm；帮部钢筋梯采用Φ12 mm 钢筋制作，规格为一根2000 mm×80 mm、一根1000 mm×80 mm 配合使用。

5）锚索。使用Q1860-Φ17.8 mm×3500 mm 锚索，锚索预紧力不小于100 kN（30 MPa）。锚索托盘：高强球形托盘，Q345B，规格为300 mm×300 mm×12 mm。

6）锚固剂。锚固剂均使用树脂锚固剂，顶锚杆使用2 块K2570 树脂锚固剂，帮部锚杆使用1 块K2570 树脂锚固剂，顶部锚索使用2 块K2570 树脂锚固剂。顶部锚杆锚固力不小于10 T，帮部锚杆锚固力不小于5 T。

7）联网铁丝。联网铁丝使用12#铁丝联网，长度为350～400 mm，网扣扣扣相联，网扣不低于3 圈，并将扎丝挽向煤（岩）壁，防止刮人。

8）工字钢锚梁规格为12 号工字钢，长度3800 mm，孔距3200 mm，端孔距端头的距离300 mm。工字钢锚梁托盘规格120 mm×60 mm×10 mm，材质Q345B。托盘与锚索头之间需采取垫皮子等防切断措施。

2.3 永久支护

1）巷道顶部选用MSGLW-500/18×2400 无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，间排距（850 mm×900 mm）±100 mm，配合使用钢筋网和钢筋梯护顶；巷道帮部锚杆使用MSGLW-500/18×2400 无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，间排距为（800 mm×900 mm）±100 mm。如图1。

图1 巷道支护断面（mm）

2）顶部使用规格为Q1860-Φ17.8 mm×3500 mm 锚索配合锚梁加强支护，锚梁两侧锚索的安设角度为45°，每排打设一组。

3）每隔一排打设一棵“戴帽点柱”进行加强支护，帽的规格为长400 mm，宽150 mm，厚度不小于50 mm 的半圆型垫板。打设点柱滞后迎头不超过35 m。

2.4 施工方式

切割完成上部断面装煤后，将切割头落至底板，使用前探梁将钢筋网接至顶板进行临时维护，然后对顶板进行锚网支护，并根据锚索间距打设锚索。对顶板锚网支护后再打设两帮上部三棵锚杆，切割下部断面时，提前将两帮所使用的菱形网与顶网进行联网并将肩窝锚杆施工完毕，多余菱形网用1 扎丝捆在两帮上，严禁影响掘进机切割，然后对下部断面进行切割。为了提高施工效率，在迎头掘进期间，也可采用分层切割，即：切顶、完成上部断面切割装煤作业后，打顶部和两帮上部2 根锚杆，继续向前切割，打顶部和两帮上部2 根锚杆，一次允许撇4 排底部剩余锚杆。剩余下部断面，在切割后整体进行锚帮加固。迎头最后一排在顶部永久支护后，帮部可预留一排，便于下班帮部切割。

2.5 锚杆安装工艺

1）每次截割前后、打眼前，要首先进行敲帮问顶；及时使用前探梁进行临时支护，仔细检查顶帮围岩情况，发现安全隐患及时采取相应的整改措施，确保安全再施工。

2）打眼前，先按偏中线严格检查巷道断面规格，不符合作业规程要求时，必须先行处理。

3）确认安全完毕后，方可开始锚杆支护工作。

4）顶板使用MQT--130 风动锚杆钻机钻眼，钻杆为B19 六棱中空钎杆，长度分别为1200 mm、1000 mm，钻头为Φ27 mm 的二翼式金刚钻头，打孔深度2350 mm。

5）帮部使用ZQS-50/60 手持式风动帮锚机，钎子为直径26 mm、长度2400 mm 的麻花钻杆，钎头为Φ27 mm 二翼式钻头，湿式钻眼。打孔深度

2350 mm。

6）锚杆眼的位置要准确，眼位误差不超过-50 mm～50 mm，眼向误差不大于15°，锚杆眼深度与锚杆长度相匹配。

7）锚杆眼打好后，应将眼内的煤（岩）渣、积水清理干净（可用锚杆将煤岩粉、积水拉出钻孔）。打眼、安装锚杆的顺序由外向里，先顶后帮；顶部先打中间眼，后打两侧眼；帮部先打上部锚杆眼，后打下部锚杆眼。

2.6 安装锚杆技术要求

1）顶锚杆使用锚杆钻机安装，顶锚扭矩不小于250 N·m。

2）帮锚杆采用扭矩放大器配合帮锚机安装并打开阻尼，扭矩不小于250 N·m。

3）顶板锚杆支护时，应先进行顶板中间锚杆的打设（先中间后两边），帮部锚杆应从上至下打设。

4）迎头施工期间，由于综掘巷道施工循环进度频繁，采取集中支护帮部下部锚杆的施工工艺。巷道进行帮锚支护时，先支护帮部中上部2 根锚杆，待本班施工结束出净底煤后，集中对帮部余下锚杆进行支护。支护下部锚杆时，巷道最前方1 排帮部锚杆暂不进行支护，以便下一循环的切割。

5）顶板安装锚杆方法步骤：

① 首先检查眼孔的眼位和角度，合格后用锚杆将树脂锚固剂送入眼内，使锚杆顶住树脂锚固剂，锚杆外端套上螺帽。

② 用安好搅拌器的风动锚杆机卡住螺帽，开动锚杆机，使锚杆机带动杆体利用上推力把树脂锚固剂推入眼底。在上推树脂时严禁旋转。

③ 然后迅速旋转锚杆搅拌10～15 s，搅拌同时施加上推力，直到锚杆托盘离顶板20 mm 左右。严禁把托盘紧贴压在顶板上。

④ 完成搅拌后停止30 s 左右让树脂锚固剂充分凝固，再旋转搅拌器上紧螺母。在紧螺母时应给最大扭矩，以最大限度地上紧螺母。

6）帮部安装锚杆方法步骤：

① 首先检查眼孔的眼位和角度。安装前，应将眼孔内的积水、煤（岩）粉用压风清理干净（可使用锚杆将煤岩粉、积水拉出）。

② 合格后，用锚杆将1 支树脂锚固剂送入眼底，使锚杆顶住树脂锚固剂，锚杆外端套上螺帽。

③ 用安好搅拌器的帮锚机卡住螺帽，开动帮锚机，对锚固剂进行搅拌15～20 s。搅拌同时施加推力，利用推力推动锚杆直到锚杆托盘距离帮部20 mm 左右，方可撤去帮锚机。

④ 完成搅拌后停止40～60 s 左右让树脂锚固剂充分凝固，再利用扭矩放大器对锚杆进行紧固，确保锚杆扭矩符合要求。

锚杆安装可以总结为：一推（推树脂入孔到规定位置），二转（旋转搅拌树脂），三停（停，树脂完成初凝），四紧（紧固螺母）

7）合格的锚杆安装应该满足的标准：

① 充填阻尼必须全部脱落，否则锚杆无法达到安装载荷。② 塑料垫圈必须溶化掉。③锚杆外露螺母长度10～50 mm。④ 用扭矩扳手检验，扭矩不能低于250 N·m。

8）锚杆二次预紧，使用扭矩放大器的安全注意事项：

① 使用前必须检查各连接部位的连接固定情况，确保连接可靠。

② 使用扭矩放大器前，必须把扭矩放大器的安全链挂钩（扭矩放大器把手末端）挂在金属网上，安全链长度不大于200 mm。

③ 在使用扭矩放大器时一定要注意安全，安排一名有经验的职工双手扶着把手，人员身体部位必须避开扭矩放大器把手的旋转范围，以防止扭矩放大器转动伤人。

④ 使用扭矩放大器时，尽量使锚杆安装机具的轴心、扭矩放大器轴心及锚杆轴心在同一条直线上，防止扭矩放大器受力不均而损坏，同时可以提高锚杆的安装应力。

⑤ 使用扭矩放大器时，操作人员之间相互配合好，在指挥扶把人员后对安装机具均匀加速达到最大转速，直至锚杆扭矩力达到规定要求。

⑥ 扶把人应时刻注意，感应钻具的反扭矩，及时调整扶把力量，确保把手不脱离。

2.7 锚索安装技术要求

1）锚索钻孔轴线与设计的轴线的偏差角不应大于2°。

2）锚索预紧力不小于100 kN。

3）锚索眼深误差为0～200 mm。

4）锚索外露索具长度为+150～+250 mm。

5）锚索搅拌树脂药卷过程中不能停顿，要一次搅拌完毕，绝对不能重复搅拌。

6）锚索安装48 h 后，如发现预紧力下降，必须及时补打。

7）张拉时发现锚固不合格的锚索，必须在其附近补打合格的锚索。

8）锚索托盘与顶板金属网紧贴，锚索托盘下使用配套锁具固定。

9）锚索安装必须按照设计随掘进迎头及时安设。

3 技术保障

1）63下06 运输巷向前施工时重新调整巷道施工层位，保证巷道顶煤厚度大于3.0 m 的前提下，破煤层底板掘进施工。必须确保巷道西帮顶部实体煤厚大于3.0 m 才能由架棚支护更改为锚网支护，顶板破碎、掉顶范围不计入3 m 厚度要求内。

2）施工人员要探测顶煤厚度，施工结果要实名制登记台账，以便及时调整施工层位，确保巷道顶板上部实体煤厚达到3.0 m 以上。打设探孔后要及时用黄泥进行封堵，防止漏风。

3）施工期间加强观测，后路顶部出现坠网或压力显现顶板离层时，迎头要立即停止施工，对坠网或压力显现区域扶棚或单体配合花边工字钢加强支护。现场料场需备用不低于10 架棚支护用料。

4）顶部使用规格为Φ17.8 mm×3500 mm 锚索配合锚梁加强支护，锚梁两侧锚索的安设角度为45°，锚索锚入巷道两帮顶板位置，每排打设一组，每隔一排打设一棵“戴帽点柱”进行加强支护。

5）及时对锚杆支护质量进行检测，锚杆锚固力抽样率为3%，不小于设计值的90%，每300 根顶、两帮锚杆各抽样一组，每组不少于3 根（共不少于9 根）。由质量验收员对支护锚杆进行拉力检验，记入测试台账。

4 矿压观测

1）该支护技术要求对顶帮进行现场观测，技术人员每隔50 m 安装一组压力表，每组测点分别在巷道顶、帮各安1 块共3 块大于20 t 的压力表，监测锚杆受力和巷道变形情况。根据监测结果，上报生产技术科，及时调整支护强度。

2）施工过程中每隔30 m 设一组围岩位移量观测点，在顶板安装一块型号为KBW101-200 顶底板移变量动态报警仪，进行顶板位移量观测。

3）每50 m 设一个测点，每个测点的顶板离层仪安装在巷道的顶板上。当顶板下沉量达到100 mm 时，顶底板位移量总计超过300 mm，及时采取打设戴帽点柱或套工字钢棚加强支护，并上报生产技术科，进行技术会诊，采取更改支护措施。

如图2 所示，充分采动的范围常用充分采动角（常用ψ表示）来确定，下山方面的充分采动角以ψ1表示，上山方向的充分采动角以ψ2表示，走向方向的充分采动角以ψ3表示。

图2 移近量变形图

5 价值分析

1）新型锚网梯索梁支护工艺，可以有效解决工作面与上分层采空区漏风的问题，杜绝高温发火安全隐患。

2）选择的支护方式既能满足支护强度，又能做到控制成本，达到效率最大化、工艺最优化目的。锚网支护为主动支护，工字钢架棚支护为被动支护，锚网支护在支护形式上就优于架棚支护，且锚网支护后期巷道整改维护较少。工字钢架棚支护采煤时对工字钢回收，工序较复杂，安装、采煤期间比锚网支护危险系数高。

3）锚网支护保证了支护安全又节约了成本，大大降低了职工的劳动强度。锚网支护为采煤工序服务，不再回撤工字钢棚，节约了大量人力物力。

4）施工期间保证了巷道支护强度，提高了施工进度，节约了施工成本，至工作面施工完毕，共可节约人工成本178 多万元；且为采煤工序提供了大大的便利性，做好了服务，避免了全部采用工字钢架棚支护，降低了职工的劳动强度，平均减少了3 道工序，每天节省职工5 人，大大提高了施工效率，减少了工作面的施工时间，保证了工作面的接续。