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金河煤矿综放工作面锚网支护技术研究

来源:用户上传      作者: 杨五姓

  【摘要】金河煤矿综放开采工作面中平巷变形破坏比较严重,巷道维护工程量大,是制约工作面实现安全高效生产的主要因素之一。因此研究解决综放工作面平巷支护问题对金河煤矿具有重要现实意义。本文通过对工作面平巷围岩变形破坏的观测,分析总结了金河煤矿综放工作面平巷变形破坏的基本特征,对综放工作面平巷锚网支护的主要参数进行分析研究,在此基础上,提出了金河煤矿综放工作面平巷的合理锚网支护方案,为工作面平巷支护方式及参数的合理确定提供了依据。
  【关键词】综放工作面;平巷;锚网支护
  1、金河煤矿综放工作面平巷变形破坏特征
  正确分析煤层开采时工作面巷道变形破坏特征和矿压规律,对选择和设计煤层的合理开采顺序,确定正确的开采方法、顶板管理方法和巷道布置地点,以及正确选择煤层的巷道保护方式和巷道支护方案有着极其重要的意义。2011年6~8月份,金河煤矿对16203工作面回风平巷进行了观测。回风平巷观测范围为自工作面前方80m(目测巷道基本无变形)处至工作面拐点,运输平巷实测范围较大,观测范围自工作面前方117m(基本无采动影响)到工作面下出口后方30m采动基本稳定处。本章主要根据16205作面平巷前期现场观测资料,分析综放工作面巷道围岩变形破坏的基本特征。
  1.1巷道基本条件
  1.1.1 工作面概况
  本次观测的对象为金河煤矿六采区的16203综放开采工作面,16203工作面位于六采区南部,其北部为16201工作面(已采完),西部隔煤柱与16211工作面(已采完)相望,南部为16205工作面,东部为实体煤(尚未开采)。本工作面开采煤层为煤二层,煤层呈单斜构造,煤层倾角 5~15°、平均8°。煤层厚度13.5m~32m,平均厚度26.66m,呈东厚西薄特征,工作面走向长550m,倾斜长180m,面积99000m2,水文地质条件简单,煤层直接顶为泥岩、粉砂岩,灰、深灰色,小型斜层理发育,厚度 3.8m。
  1.1.2 测站布置
  16203工作面巷道断面形状为矩形。巷道一般设置3~5个测站,测站间距大约50m,测站内设置上述所有观测内容,仪器仪表的安设除离层仪和收敛观测外其它均为顶部两个两帮各一个。
  1.1.3 各项观测内容的初步统计分析
  通过对各测站观测数据进行统计、整理和分析,可初步得到如下几点结论:
  1、由于采动影响的范围大,16203回风巷在距离工作面160m以外就开始变形,变形特征是顶底两帮均收敛,数值接近,顶底变形略大,变形的规律是持续的匀速变形。
  2、运输平巷受采动影响的围岩变形规律是在距离工作面50m范围内巷道加速变形,巷道变形明显的区域为距离工作面50m以内。变形特征是两帮变形量大。巷道总体变形量不大,在8cm以内。
  1.1.4 16203综放工作面平巷变形破坏基本规律
  根据现场观测,可以总结出16203综放工作面平巷变形破坏基本规律和特征如下:
  (1)回采巷道的采动影响范围为工作面前方70~80m,明显影响范围为工作面前方30~40m;运输巷道在工作面后方的变形明显,影响范围约为30m;
  (2)巷道变形量大,体现出明显的软岩特性。工作面前方巷道变形量接近50cm;工作面后方累计巷道变形量高达115cm;
  (3)顶底和两帮移近变形都比较明显,体现了四周来压收缩特性;
  (4)巷道断面变形不对称。两帮脚水平移近变形大,底板侧顶底移近变形大,底板侧底鼓明显。体现了大倾角煤层回采巷道变形的特点。
  2、巷道支护方法、断面形状及支护参数和支护工艺的确定
  2.1巷道支护方法确定
  根据国内外大量的理论研究和工程实践证明,锚杆支护技术基本上能够处理各种复杂的地质和工程问题(包括有冲击地压煤层巷道的支护)且与架棚支护相比具有多方面的技术经济效益。因此,本矿地质条件的煤巷首选锚杆支护。
  2.2巷道断面形状的选择
  根据金河煤矿煤体裂隙发育且是全煤巷道的特征,采用锚杆支护时,按照挤压加固拱原理设计较为合理。而加固拱理论最适宜的巷道断面为不同形状的拱形或圆形,针对金河煤矿全煤巷道的地质和矿压特征,采用半圆拱形巷道时,巷道承受矿压冲击的性能和围岩的稳定性易于得到保证。
  2.3巷道支护参数的确定
  针对金河煤矿目前开采的全煤巷道,由于采深较大,煤爆震动现象严重,围岩裂隙发育稳定性差,锚杆支护参数的确定一般采用以工程类比法为主的动态设计法,初步方案最终确定如下:
  巷道顶帮均采用锚网(顶部能一次成形时采用锚梁网)支护,锚索补强加固。锚杆按矩形布置,一般条件下间排距700×700mm,留顶成形困难时,可缩小到600×650mm,围岩较稳定成形好时可放大到800~900mm,锚索按矩形布置于两拱肩部,每排2根,排距2.4m,间距2.4。
  顶帮锚杆选用同一规格φ22×2600mm的强螺纹钢,锚杆配件采用穹形金属托盘,半球垫、减摩垫、快装螺母(帮上为加厚螺母)和木托板顶部用CK2350一支和Z2360二支树脂药卷锚固,帮用CK2350一支和Z2360二支锚固。锚索采用φ17.8×7000mm的钢铰线和300×300×80mm的木托板及200×200×16mm的钢托板,用一支CK2350一支和二支Z2360树脂药卷加长锚固。护网采用10#铅丝编织的菱形网,网孔30×30mm网的规格根据锚杆排距的确定。
  2.4施工工艺方法及机具配套
  巷道掘进采用三一重工EBZ-160型综掘机。
  顶板支护采用MQT-130C1型锚杆机,φ29mm钻头和B19×2.6m钻杆打眼,采用快装器实现顶锚杆的快速安装和螺母的预紧。当锚杆机不能预紧到要求值(350N・m)时,再采用气板机二次预紧。煤帮采用MQTB-80型帮锚杆机打眼安装,钻头钻杆与顶板相同,采用气板机预紧。锚索采用顶锚杆机打眼安装,φ27mm钻头,B19×7m组合钻杆,配合QI19型锚索安装器快速安装,气动锚索张拉机具完成预应力紧固。   2.5 16203工作面全煤巷道的成形和加固措施
  随着金河煤矿开采深度的不断增加,煤巷掘进中的煤爆震动和冲击对巷道成形和稳定的危害越来越大。控制这种危害的途径主要有两个方面:一是改变煤岩体强度(如煤层注水),减弱掘进范围和巷道围岩中煤爆的强度或将煤爆震动转入巷道围岩的深部;二是采取降低围岩中应力集中的成形和加固方法,避免强煤爆震动冲击对巷道成形和稳定的影响。
  金河煤矿16203运输巷掘进中,当煤体较软时,煤爆震动处于围岩深部,对巷道的成形和加固影响不大,但当煤体硬而脆时,煤爆震动,就在围岩浅部,而且多数发生在正前方自由面上,给巷道成形和工人的安全造成很大的威胁。(例如巷道抽顶,飞出的煤块伤人等)虽然施工中也采取过煤体注水等工艺,但由于煤体渗透性差效果不明显。为了确保巷道的成形和稳定,主要采取了以下的几个防治措施:
  1.小断面掘进,减小煤岩暴露面积
  2.及时有效加固,形成良性循环
  3.优化锚杆及配件的性能,增加支护体抗冲击性能
  2.6支护效果分析
  16203回采工作面自2011年6月开始掘进,2012年3月贯通,5月开始回采,到目前已推采230米,切眼及上下顺槽都没发生大的变形,特别是上下顺槽,经过回采工作面的初次来压和周期来压的考验,未见有明显的破坏,无需维修就保证了回采工作的正常进行。
  为了科学的验证试验巷道的维护效果,在运输巷和切眼掘进期间共设了4个测站,对巷道表面收敛,深部位移、顶板离层和锚杆受力进行了观测,并通过对观测数据的整理分析可获得如下几点结论:
  1.巷道围岩变形量小,顶板下沉量在67~90mm之间,两帮移近量在56~71mm之间,与金河煤矿其它全煤巷道比效果十分显著。
  2.顶帮锚杆受力一般不超过10KN,杆体处于弹性工作状态,拱部个别锚杆最大受力达到169KN,杆体处于屈服状态,但自从达到屈服点后只微增2KN而至今未破坏,说明该条件下锚杆按屈服受力设计能满足巷道加固要求。
  3.围岩深部位移和顶板离层观测表明,全煤巷道围岩变形范围较大,但变形主要来自于加固拱内,而锚杆加固范围内又存在:煤帮为浅部大于深部;拱部为拱上大于拱下的规律。这也从一个侧面证明了围岩中挤压加固拱的存在。
  4.巷道开掘后前4~5天,无论是围岩变形还是托锚力的变化都表现很剧烈,12~15天后都趋于稳定。这比一般沿顶掘进巷道的稳定期要长,这也是全煤巷道支护难度的原因。
  2.7支护材料的进一步完善
  为了保证支护系统的可靠性和安全性,在实施原设计方案的过程中,针对施工中出现的有些问题,对有些支护材料进行了一些调整。
  1.树脂锚固剂的调整
  原设计顶锚杆采用S2350和Z2360各1支锚固,实际施工中发现,这种设计即无法达到全长锚固,也不能实现快速安装。井下实测和理论计算证明:当采用φ29mm的钻头打眼时,软煤钻孔直径大于31mm,对于φ22mm的螺纹钢锚杆,按原设计的药卷锚固长度最大为132cm。当采用接杆或钻杆打眼,孔深大于锚杆加固所需深度10cm时,双速药卷超快段60%的填了超深的孔,故无法保证锚杆的快速安装。根据上述情况,我们把顶锚杆的药卷改为CK2350一支Z2363二支,这既保证了锚杆的快速安装预紧,也能保证φ29mm钻头打眼时新钻头接近全长锚固,旧钻头完全的全长锚固。使用效果满足了设计要求。
  2.帮锚杆及其配件的调整
  原设计两帮采用φ20×2000mm的螺纹钢锚杆,锚杆配件一般条件下没要求用半球垫和减摩垫片,锚固剂也只用1支Z2360的。井下试验初期16203工作面运输巷8#~9#钻场段,巷道网包大、变形大,还有部分锚杆锚索被破坏的现象,针对这一情况,我们进行了认真分析,并通过有关试验和矿压观测进行验证。分析认为,随着开采深度的不断增加,巷道侧压越来越大,巷帮的加固不但要平衡侧压,防止松动和片帮,还应为顶部的挤压拱提供一个稳固的支撑和防止平衡拱跨度的增加。基于上述分析,巷帮加固对锚杆的规格,锚固力和预紧力都有较高的要求。另外,还对不同规格锚杆和不同的配件时的预紧力进行了试验,φ20mm螺纹钢锚杆无球垫和减摩垫片,预紧扭矩300N・m时,预紧力仅为15~20KN,而φ20mm螺纹钢锚杆有球垫和减摩垫片,预紧扭矩350N・m时的预紧力可达100KN以上,增加半球垫和减摩垫片预紧,树脂药卷改为CK2350和Z2360各1支或Z23602支。
  调整后的支护取得了良好的效果,矿压观测表明,两帮移近量仅为56~71mm,帮锚杆加固范围内的煤体松动仅为9~21mm,帮锚杆受力都小于100KN,也几乎没有锚杆被拉出或破坏的现象。
  3、结论
  通过对16203工作面掘进工作面矿压观测资料的整理分析和当前工作面正常推采证明:支护方案设计,防煤爆的成形方法及其施工工艺是合理的。巷道围岩变形小,稳定性好,所采用的锚杆、锚索及支护系统安全可靠,未见有破坏的现象。巷道整体维护效果良好,无需维修即可保证回采工作正常进行,可以在类似的全煤巷道中参考应用。
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