付村煤業有限公司全煤巷道錨桿支護設計研究

王森全,張 磊

(棗莊礦業集團付村煤業有限公司,山東微山縣 277605)

付村煤業有限公司全煤巷道錨桿支護設計研究

王森全,張 磊

(棗莊礦業集團付村煤業有限公司,山東微山縣 277605)

根據煤巷圍巖穩固性類別的劃分,針對煤巷支護的形式和穩固性的關系,在確定煤巷圍巖穩固性類別的基礎上,并根據現場情況,采取一系列支護措施,設計出適用于現場實際的煤巷支護方案,為公司煤巷錨桿支護設計提供了科學依據,并取得了年節約材料費 630萬元的良好經濟效益。

全煤巷道;錨桿支護;支護方案

付村煤業有限公司是核定年生產能力 270萬 t的礦井,每年完成的全煤巷掘進進尺達 12000m左右,目前所回采的煤層為二疊系山西組 3上煤層,從整體煤巷支護效果來看,基本保證了綜采高產高效的發揮。從錨桿支護設計統計的幾個關鍵點出發,通過深化施工工藝、強化支護技術,優選煤巷支護方案在一定程度上滿足了支護節能減排、節支降耗、快速掘進的要求。

1 煤巷基本類型和特點

1.1 煤巷圍巖穩固性類別的劃分

根據煤巷圍巖分類的基本原則,結合付村煤業有限公司在掘進和回采過程中的煤巷圍巖控制經驗,確定將該礦煤巷圍巖穩固性分為 4類(見表1)。

表1 穩固性不同的各類煤巷頂板特征

根據對回采巷道圍巖穩固性影響因素的分析及分類因素確定的原則,選取煤層埋深、煤層傾角、煤層厚度、采煤方法、直接頂厚度、直接頂強度、老頂厚度、老頂強度、直接頂初垮步距、老頂初垮步距、護巷煤柱寬度等參數作為巷道圍巖穩固性的影響因素指標,確定不同煤巷圍巖穩固性類別。

1.2 煤巷基本類型和特點

根據煤層賦存情況,煤巷布置不容選擇,主要可以分為:綜采工作面實體煤順槽;綜采工作面沿空順槽;綜采工作面大斷面切眼。

煤巷與巖巷相比,不同特點主要有:巷道位置不容選擇,只能開在煤層中;巷道圍巖呈層性顯著,強度較低;巷道斷面一般為矩形或梯形,一般均受到回采工作面采動影響與采空區的影響。

2 煤巷支護形式和穩固性關系

付煤公司煤巷錨桿支護的基本形式主要有 3種,分別為錨桿支護、錨網支護和錨網梯索支護。對原有的煤巷進行分析,得到支護形式與煤巷穩固性類別的對應關系可以看出:

(1)使用錨桿支護形式的比例隨著穩固性降低而減少,錨桿支護這種單一形式在頂板較為堅硬、完整、穩定的砂巖且無淋水條件下使用較多。

(2)錨網與錨網梯索支護兩種形式的比例隨著穩固性降低逐漸增加,錨網支護和錨網梯索支護在Ⅲ類、Ⅳ類巷道的使用比例較高。

(3)Ⅰ、Ⅱ類巷道中錨桿均垂直于頂幫,Ⅲ類巷道中頂幫均布置有傾斜錨桿,Ⅳ類錨桿布置角度比較混亂,隨著穩固性的降低,頂板肩部錨桿和兩幫角處錨桿的支護角度逐漸增大,以防止該處因應力集中而導致頂板沿幫角處的剪切破壞。

3 煤巷支護設計

錨桿安裝時,施加合理的安裝應力以控制圍巖的早期變形,所以在錨桿支護時必須把錨桿的安裝力(預應力)作為主要的參數考慮,安裝應力過小會使圍巖發生過大的早期變形,松散破碎圈會變大,引起頂板破碎,錨桿受力增加。

3.1 錨桿的基本參數選擇

煤巷支護系統本身必須具有變形讓壓功能,其作用和液壓支架的安全閥一樣,在錨桿所受的力達到其強度極限前讓壓變形以保護桿體,實現控制讓壓。但是在選擇錨桿時不能一味追求高強度、大直徑的錨桿,要根據圍巖和支護空間的關系找出合理的結合點,以選擇合適的錨桿達到最佳的巷道支護效果。付煤公司錨桿的基本參數為:錨桿類型為高強度預應力錨桿;錨桿長度為 2200mm(頂)、1600 mm(幫);錨桿直徑為 18mm(頂);鉆孔直徑為 28 mm;樹脂為 CKa2550。

3.2 支護措施

(1)采取措施增加錨桿的初錨力。為減少錨桿安裝過程中螺帽與托盤之間的摩擦力,在錨桿和螺帽之間加一個平墊和一個塑料墊圈,平墊靠螺帽側、塑料墊圈靠托盤側,并使用錨桿扭矩放大器,增加錨桿的初錨力。通過施工 3上 411面運巷和 3上 412工作面材巷兩煤巷的實驗,實驗結果證明:不使用墊圈和放大器安裝的錨桿,其初錨力幾乎為零,僅0.15 t;不使用墊圈使用放大器安裝的錨桿,其初錨力增加了一倍;使用墊圈不用放大器安裝的錨桿,其初撐力增加了 5～6倍;同時使用墊圈和放大器安裝的錨桿其初撐力增加了 16～18倍,確保每根錨桿的初錨力在 4.0t以上,巷道兩幫變形量不超過 50mm,頂板下沉量不超過 60mm,保證了安全生產。

(2)改變錨固劑規格型號,縮短凝膠時間。通過現場觀察實驗,將原來使用的快速錨固劑改為超快錨固劑,凝膠時間由原來的 8～40s縮短到 8～25 s,等待時間由原來的 10～60s縮短到 10～30s,施工每根錨桿可平均縮短 22.5s。現場對頂板錨桿進行拉拔力試驗,結合“三徑匹配”原理,將錨固劑的直徑由原來的 23mm改為 25mm、長度由原來的600mm改為 500mm,取得了快速安全支護的效果。

(3)規范安裝工藝,提高安裝質量。為了充分發揮每根錨桿的作用,采取正確、規范的安裝工藝是非常必要的,每個掘進工配備一塊秒表,做到錨桿安裝過程精確到“秒”:打孔,用錨桿機打 2160mm(頂)、1560mm(幫)的鉆孔。

把樹脂藥卷和錨桿推入規定的孔位,利用錨桿和錨桿攪拌器通過錨桿機上推力把樹脂推入孔中直到錨桿托盤離頂板 20mm左右,注意在上推樹脂時嚴禁旋轉,嚴禁把托盤死死壓在頂板上。

完成第二步后,迅速旋轉錨桿攪拌 10s(旋轉攪拌時不要施加上推力),然后順勢上推錨桿使托盤貼近頂板(托盤離頂板的間隙為 5mm左右)。

停止 30s左右讓樹脂充分凝固。

旋轉攪拌器上緊螺母,在緊螺母時應給最大扭矩而不要施加上推力以最大限度上緊螺母。

用扭矩放大器,進一步上緊螺母,達到規定安裝應力。

在安裝過程中要嚴格按安裝步驟施工,否則會出現“長尾錨桿”或打不開阻尼現象,這樣會大大影響錨桿的支護效果,甚至導致失效。

幫錨桿必須采取扭矩放大器安裝打開阻尼,正常情況下應達到 4t以上的預應力,頂錨直接采取錨桿鉆機就可以實現 4t以上的預應力。

4 現場實施效果分析

在 3上 411工作面運巷掘進后的回采過程中,采用多點礦壓監測,在同一個斷面設置 9個監測點,定期(每 3d)進行觀測,發現靠近工作面采空區側的測點變形量較大,變形量為 100mm,在非采空區側變形量較小,變形量為 60mm。在整個巷道服務期間,本套錨桿支護參數能保證煤巷的穩固性,支護設計合理,為同類煤巷支護取得了寶貴的經驗,解決了煤巷采取錨桿支護受動壓影響的技術難題。

通過在煤巷改革使用錨桿支護工藝后,支護時間縮短促進了單進的提高;在煤巷中使用錨桿支護,兩幫采用高分子塑料網代替鐵絲菱形網,按照每年施工煤巷 12000m計,可節約材料費 630萬元,經濟效益良好,具有推廣意義。

[1] 袁和生.煤礦巷道錨桿支護技術[M].北京:煤炭工業出版社,1997.

[2] 陸士良,湯 雷,楊新安.錨桿錨固力與錨固技術[M].北京:煤炭工業出版社,1998.

[3] 何滿潮,袁和生.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京:科學出版出版社,2004.

2010-04-06)

王森全(1979-),男,山東汶上縣人,工程師,主要從事煤礦安全管理和安全生產,Email:zgkgbgl@163.com。