摘要:在煤礦開採過程中,為保證增大**率,部分巷道需要在煤柱中掘進。這些巷道兩邊為採空區,支護方式的合理選擇,對掘進施工質量及施工進度影響較大。
為提高巷道掘進施工質量及施工速度,在不改變掘進方法、不增添新裝置、不增加施工人員的前提下,通過分析圍岩強度、圍岩結構、地應力及錨固效能測試,提出了合理的錨桿支護設計,在施工的應用中取得了明顯的效果。新陽煤業在新102材料巷進行了實地試驗,並做好了詳細的監測及記錄在巷道兩幫壓力控制上取得了良好的效果,值得推廣。
關鍵詞:煤柱錨桿支護研究
1 工作面地質概況
1.1 工作面概況
新102工作面位於新一採區東翼,新102工作面北鄰南軌道上山保安煤柱,西鄰新104工作面(2023年至2023年已回採9#、10#和11#煤層),兩工作面間淨煤柱尺寸為30m,南至韓家灘保安煤柱。新102工作面地面標高為+865m～+980m,煤層標高為+580m～+680m,平均埋深約為292m左右,工作面開採太原組10～11#煤合併層,區域性開採9#～10#～11#煤合併層,煤層總厚平均7.2m,屬複雜結構煤層,煤種為瘦煤,穩定可採。
1.2 巷道布置方式
新102工作面開採10#～11#煤合併層,由於合併層10#～11#煤直接底為粘土泥岩,遇水膨脹,故將新102工作兩巷沿煤層底板布置,頂板為0.1m的標誌層,底板留設300mm的浮煤。新102工作面材料巷布置在新102工作面和新104工作面煤柱下方如圖1所示,新102工作面材料巷距離上部902工作面煤層採空區淨煤柱尺寸約為8m,距離新104材料巷距離22m,此時新102運輸巷正好處於工作面保護煤柱應力峰值影響的範圍內,故巷道壓力很大,巷道維護困難。
1.3 巷道圍岩條件
新102工作面煤層頂底板柱狀圖如圖2所示,新102工作面煤層直接頂是2.0m厚的灰黑色石灰岩,之上為1.75m的灰黑色泥岩,老頂為6.
24m的深灰色石灰岩,緻密堅硬。工作面巷道底上留300mm左右浮煤,直接底為0.3m的碳質泥岩和0.
53m的灰色粘土泥岩,下方為7.41m厚的黑色及灰色泥岩。
1.4 地質構造
工作面地質結構簡單,煤岩層基本為單斜構造區。煤岩層產狀為走向北西,傾向北東,另外根據相鄰新104工作面知,掘進至切眼附近時,將揭露2條正斷層,斷層落差不大,預計對掘進不會造成較大影響。
1.5 水文地質條件
工作面上覆含水層為k2、k3、k4三層灰岩含水層,其水量較豐富,對本工作面掘進有一定影響;新102工作面布置在已採902工作面下方,採空區可能存有一定積水,對掘進支護有一定影響。下伏含水層為奧陶紀石灰岩含水層,其水量豐富,水位標高低於煤層底板標高,故在掘進期間必須準備好足夠的排水設施,堅持「有掘必探」的原則,對其進行探放水工作,確保安全生產。
工作面最大湧水量為50m3/h,正常湧水量為10～30m3/h。
1.6 瓦斯及煤塵特點
新陽礦井屬低瓦斯礦井,瓦斯湧出情況較少。工作面煤層具有發火傾向和自燃發火現象,發火期為4～6個月。煤塵具有強烈**性,**指數9#煤為18.
32%,10#煤為18.7%,11#煤為18.44%。
1.7 粘結強度測試
採用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結強度。該測試工作必須在井下施工之前進行完畢。測試應採用施工中所用的錨桿和樹脂藥捲,分別在巷道頂板和兩幫設計錨固深度上進行三組拉拔試驗。
粘結強度滿足設計要求後方可在井下施工中採用。
2 巷道支護形式和引數選擇原則
針對新陽煤礦新一採區新102工作面10#～11#煤合併層地質及生產條件,為了充分發揮錨桿支護的作用,提出以下設計原則有以下幾點。
(1)一次支護原則。錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍岩變形,避免二次或多次支護。一方面,這是礦井實現高效、安全生產的要求,為採礦服務的巷道和硐室等工程,需要保持長期穩定,不能經常維修;另一方面,這是錨桿支護本身的作用原理決定的。
巷道圍岩一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳,而在已發生離層、破壞的圍岩中安裝錨桿,支護效果會受到顯著影響。
(2)高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關鍵因素,是區別錨桿支護是被動支護還是主動支護的引數,只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護,才能充分發揮錨桿支護的作用。一方面,要採取有效措施給錨桿施加較大的預應力;另一方面,通過托板、鋼帶等構件實現錨桿預應力的擴散,擴大預應力的作用範圍,提高錨固體的整體剛度與完整性。
(3)「三高一低」原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度(如加大錨桿直徑或提高杆體材料的強度)、剛度(提高錨桿預應力、全長錨固),保證支護系統可靠性的條件下,降低支護密度,減少單位面積上錨桿數量,提高掘進速度。
(4)臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統存在臨界支護強度與剛度,如果支護強度與剛度低於臨界值,巷道將長期處於不穩定狀態,圍岩變形與破壞得不到有效控制。因此,設計錨桿支護系統的強度與剛度應大於臨界值。
(5)相互匹配原則。錨桿各構件,包括托板、螺母、鋼帶等的引數與力學效能應相互匹配,錨桿與錨索的引數與力學效能應相互匹配,以最大限度地發揮錨桿支護的整體支護作用。
(6)可操作性原則。提供的錨桿支護設計應具有可操作性,有利於井下施工管理和掘進速度的提高。
(7)在保證巷道支護效果和安全程度,技術上可行、施工上可操作的條件下,做到經濟合理,有利於降低巷道支護綜合成本。
3 設計原則
3.1 支護引數確定原則
(1)支護設計確保支護安全,避免在服務期間進行維修或僅進行區域性維修。(2)支護引數和支護材料規格具有較好的適應性和施工可行性,由於井下巷道圍岩條件變化很大,從支護合理性考慮,可能出現多種支護引數和支護材料規格,但這將不利於巷道施工和管理。所以,盡可能採用統一的支護引數和材料規格。
(3)支護設計要在保證支護質量的同時有利於提高巷道掘進速度。(4)在滿足前三項原則的前提下,做到經濟合理。
3.2 支護引數確定的依據
(1)已掘巷道現有支護狀況和礦壓觀測資料。(2)理論分析及數值計算成果。(3)新一採區工作面詳細地質資料。(4)現有科技成果和工程實踐經驗。
4 新102工作面材料順槽初始設計
考慮到新102工作面運輸巷正好處於煤柱應力峰值影響範圍內,由於運輸巷斷面較大,礦方決定將新102工作面兩巷位置進行互相調整,將斷面較小的材料巷布置在煤柱應力影響範圍內,根據掘進過程中裝置尺寸,通風要求和巷道圍岩變形預留量,設計新一採區新102工作面材料巷掘進斷面尺寸:巷道斷面呈矩形,寬4.3m,高3.
0m,掘進斷面積12.9m2。巷道採用樹脂加長錨固錨桿錨索組合支護系統。
4.1 頂板支護
錨桿:錨桿形式和規格:杆體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋,長度2.2m,杆尾螺紋為m24。
錨固方式:樹脂加長錨固,採用兩支錨固劑,一支規格為k2335,另一支規格為m2360。鑽孔直徑為28。
w鋼帶規格:採用w鋼帶護頂,鋼帶規格:厚度3mm,寬280mm,長度4200mm。
錨桿配件:托盤採用高強度拱型托盤,規格為150×150×10mm。
錨桿角度:錨桿盡量全部垂直頂板安設,角錨桿由於靠近煤幫,現場操作存在一定困難,要求和頂板角度不超過10°。
網片規格:採用菱形金屬網護頂,網孔規格50×50mm,網片規格4500×1100mm。
錨桿布置:錨桿排距900mm,每排4根錨桿,間距1000mm。
錨桿預緊力矩:≥300n·m。
錨索:錨索形式和規格:錨索材料為17.
8mm,1×7股高強度低鬆弛預應力鋼絞線,長度5300mm,鑽孔直徑28mm,採用一支k2335和兩支m2360低粘度樹脂藥捲錨固,錨固長度1600mm;
錨索托盤:採用300mm×300mm×16mm高強度托板及配套鎖具。
錨索布置:錨索採用「五花」布置,每900mm打2根錨索,錨索間距為2000mm,之後隔900mm在巷道中間打設一根錨索,錨索均垂直頂板岩層打設。
錨索預緊力:200kn～250kn。
4.2 兩幫支護
錨桿形式和規格:杆體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋,長度2.2m,杆尾螺紋為m24。
錨固方式:樹脂加長錨固,採用一支錨固劑,規格為m2360,鑽孔直徑為30mm。
w護板規格:採用w鋼護板護幫,鋼帶厚度3mm,寬280mm,長度400mm。
錨桿配件:托盤採用拱型高強度托盤,規格為150×150×10mm。
網片規格:採用菱形金屬網護幫,網孔規格50×50mm,網片規格2900×1000mm。
錨桿布置:錨桿排距1000mm,每排每幫4根錨桿,間距800mm。
錨桿角度:垂直巷幫打設。
錨桿預緊力矩:≥300n·m。
新一採區新102工作面材料巷支護設計見圖3。
5 特殊條件處理措施
巷道每超寬500mm時,補打一根單體錨桿,超寬1000mm時,補打一根錨索。當巷道超高500mm～1000mm時,應該在距正常巷幫底部位置補打一根單體錨桿,高頂距離較長時,應該補打一根錨索,錨索規格為17.8-1×7-5300mm。
如遇巷道頂板和兩幫不平、巷道淋水以及其它簡單地質構造時,適當縮小錨桿錨索排距,並保證施工質量;如遇巷道條件變化較大,應及時聯絡生產技術部門並通知設計單位根據現場實際情況確定此段巷道的支護方式及支護引數。
說明:錨桿預緊力是巷道支護的關健因素,必須及時施加預緊力,優先保證錨桿施工質量,將錨桿外露長度不作為施工質量標準化的考核指標中,但必須控制好鑽孔深度,盡量保證錨桿外露長度不超過100mm。
6 支護材料
新一採區新102工作面兩巷支護材料見表1所列。
7 井下施工工藝和安全措施
井下施工是該項目的關鍵部分,所以必須按照設計要求,保證施工質量。
7.1 施工前的準備工作
(1)準備好試驗所需的一切材料、機具和礦壓觀測儀器,並保證質量。(2)對施工隊伍進行技術培訓,使其了解試驗目的,施工工藝和要求,掌握有關機具的操作,以便在井下施工中保證質量。
7.2 施工工藝和技術要求
施工工序包括掘進和支護兩大部分。巷道頂板支護的施工工藝流程為:掘進→打掉危岩出煤→臨時支護→鑽頂板中部錨桿孔→清孔→安裝樹脂藥捲和錨桿→用錨桿機攪拌樹脂藥捲至規定時間→停止攪拌並等待1min左右→鋪金屬網→上w鋼帶、托盤、螺母→擰緊螺母→從中向外依次安裝其它頂板錨桿。
幫錨桿施工工藝:鑽孔、清孔→安裝樹脂藥捲和錨桿→攪拌樹脂藥捲→等待1min左右→掛網→上鋼護板、螺母→擰緊螺母→依次安裝其它幫錨桿。
錨索施工工藝:定錨索孔位→用錨索鑽機鑽進錨索鑽孔→清孔→往鑽孔內放入樹脂藥捲→用錨索頭部頂住樹脂藥捲並送入孔底→公升起錨索鑽機並用攪拌器聯接錨索鑽機和錨索尾部→轉動錨索鑽機攪拌樹脂藥捲至規定時間(根據樹脂藥捲使用說明書,一般為15s～30s)→停止攪拌等待規定時間(根據樹脂藥捲使用說明書,一般為1min)後收縮錨桿機卸下攪拌器→等待15min→套上托板安裝錨具→用張拉裝置張拉錨索直到預緊力為200kn以上。
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