綜采工作面超前支護技術研究與應用

冀中能源股份有限公司東龐礦 河北 邢臺 054000

0 引言

東龐礦21219工作面開采2#煤層,面長220m,平均回采長度1120m。工作面內煤層沉積較穩定,結構復雜,煤層總平均厚度4.9m,平均傾角5°。工作面直接頂為深灰色粉砂巖,平均厚度1.9m;老頂為淺灰色細砂巖,平均厚度9.67m。

工作面皮帶巷為沿空巷道,巷道斷面:寬×高=4.5×4.0m,巷道支護技術參數為:每排6根頂錨桿,頂錨桿間排距為800×800mm,頂錨索間排距2×2.4m,順巷距巷中1.0m各布置一道,邁步式連鎖。工作面軌道巷為實體煤巷道,巷道斷面:寬×高=5.5×4.0m。巷道支護技術參數為:巷道頂板每排8根頂錨桿,頂錨桿間排距750×800mm,頂錨索為三道點錨索,間排距1.2×2.4m,巷中一道,距巷中1.2m各布置一道。

目前采煤工作面軌道、皮帶巷常用的超前支護有:單體鉸接頂梁、自移式液壓支架、架棚式等加強支護方式。

結合工作面生產地質條件及超前支護方式的適用性,21219工作面軌道巷、皮帶巷采用加密頂板錨索的方式進行超前支護作業。

1 頂板加密錨索超前支護方式及支護驗算

1.1 加密頂板錨索超前支護具體方式 皮帶巷:沿巷中施工一排槽鋼錨索加強支護,間距為2.4m。軌道巷:超前采線不少于50m在原巷道每兩排支護點錨索之間施工一道錨索槽鋼,錨索距巷中1.2m,槽鋼垂巷布置,槽鋼排距為2.4m。

1.2 巷道原支護參數設計驗算 參考《煤巷錨桿支護技術規范》,軌道巷、皮帶巷支護參數計算如下:

1.2.1 選用的頂錨桿技術參數如下 頂錨桿技術參數:公稱直徑22mm,桿體長度2400mm,螺紋承載力127k N,破斷力185k N,屈服力127k N,延伸率15%。

1.2.2 皮帶巷按自然平衡拱原理計算,潛在冒落拱高度b值為:

式中:b—潛在冒落拱高度,m;

a—巷道跨度之半,取2.25m;

h—巷道高度,取4m;

φ—煤體內摩擦角,按普氏堅固性系數反算,取51°20'25″;

φ'd—頂板巖體似內摩擦角,按普氏堅固性系數反算,取71°33'54″

單位長度內頂板巖層重力為:G1=K×B×b×r×1

式中:G1——單位長度內頂板巖層重力,k N;

K——安全系數,取值范圍2-3,取2.5;

B——單位長度內需支護的頂板寬度,4.5m;

b——垮落頂板厚度即潛在冒落拱高度,取1.22m;

r——自然視密度,24k N/m3;

即G1=K×B×b×r×1=2.5×4.5×1.22×24×1=329.4k N

皮帶巷每排布置頂錨桿6根,錨桿排距0.8m,則單位長度內巷道頂板布置頂錨桿的根數為:6÷0.8=7.5根

頂錨桿屈服載荷127k N,軌道巷錨網支護對頂板的有效支護作用力為:

127×7.5=952.5k N>329.4k N

結論:經計算原巷道錨網支護對巷道頂板的作用力足以支撐冒落拱巖石重力。

1.2.3 軌道巷按自然平衡拱原理計算,潛在冒落拱高度b=1.384;

單位長度內頂板巖層重力為:G1=456.72kN

軌道巷每排布置頂錨桿8根,錨桿排距0.8m,則單位長度內巷道頂板布置頂錨桿的根數為:8÷0.8=10根

頂錨桿屈服載荷127k N,軌道巷錨網支護對頂板的有效支護作用力為:

127×10=1270k N>456.72k N

結論:經計算原巷道錨網支護對巷道頂板的作用力足以支撐冒落拱巖石重力。

1.3 加密頂板錨索超前支護設計驗算 按原巷道錨桿不參與承載,自然冒落拱范圍內巖石全部冒落,冒落巖石的重力全部由錨索支撐。支護錨索規格Φ17.8mm×8.5m,錨索詳細參數如下:

頂錨索參數:直徑17.5mm,強度級別1860MPa,公稱截面積197.9 mm2,質量1659kg/km,破斷力353kN,屈服力318kN,延伸率3.5%。

1.3.1 皮帶巷加密錨索計算 根據前述計算可知,皮帶巷冒落拱高度為1.22m,則加密錨索間距計算:

自然平衡拱平衡方程:D×γ×a×b=n×N式中:D—錨索排距,m

γ—頂板巖石平均容重,2.4t/m3

a—巷道頂板有效跨距,4.5m

b—自然平衡拱高度,1.22m

n—每排錨索數量,3根

N—錨索設計錨固力,取錨索屈服強度31.8t

錨索排距:D=n×N/(γ×a×b)=7.2m

巷道寬度4.5m,設計錨索孔至巷幫1.25m,則每排錨索間距S=1m。符合規范規定L/S≥2的要求。注:L為錨索長度,8.5m。

實際施工時沿巷中新施工一排槽鋼錨索加強支護,間距2.4m。

1.3.2 軌道巷支護錨索密度計算 根據前述計算可知,軌道巷冒落拱高度為1.384m,則計算的支護的錨索間距為3.4m。

巷道寬度5.5m,設計錨索孔至巷幫1.55m,則每排錨索間距S=2.4m。符合規范規定L/S≥2的要求。

實際施工時距巷中1.2m處施工兩排錨索加強支護,用垂巷槽鋼進行聯鎖,間排距2.4m×2.4m。

2 超前支護范圍變形觀測

2.1 測站布置 兩巷自煤壁向外100m范圍內間隔10m均勻布置10個礦壓觀測站(采用收斂觀測法,十字布線),觀測巷道頂板下沉量、兩幫移近量及底板鼓起量。根據工作面推進,測站依次向外循環布置。

2.2 觀測方式 巷道變形觀測站距工作面100m范圍內每3天觀測一次,100m之外以巷道頂板離層儀變化作為觀測數據,每周1次。發現異常及時對監測數據進行分析,采取整改措施并落實。

3 結論

(1)通過觀測,軌道巷:頂板最大下沉量40mm,底鼓最大值300mm,沿空側巷幫最大變形量300mm,回采幫最大變形量200mm。

皮帶巷:頂板最大下沉量30mm,底鼓最大值270mm,回采幫最大變形量290mm,實體煤側巷幫最大變形量190mm。

(2)針對21219工作面,頂板加密錨索支護形式有效控制了兩巷超前支護段巷道變形,起到超前支護的作用。