新102工作面位于新一采区东翼, 新102工作面北邻南轨道上山保安煤柱, 西邻新104工作面 (2006年至2007年已回采9#、10#和11#煤层) , 两工作面间净煤柱尺寸为30m, 南至韩家滩保安煤柱。新102工作面地面标高为+865m～+980m, 煤层标高为+580m～+680m, 平均埋深约为292m左右, 工作面开采太原组10～11#煤合并层, 局部开采9#～10#～11#煤合并层, 煤层总厚平均7.2m, 属复杂结构煤层, 煤种为瘦煤, 稳定可采。
新102工作面开采10#～11#煤合并层, 由于合并层10#～11#煤直接底为粘土泥岩, 遇水膨胀, 故将新102工作两巷沿煤层底板布置, 顶板为0.1m的标志层, 底板留设300mm的浮煤。新102工作面材料巷布置在新102工作面和新104工作面煤柱下方如图1所示, 新102工作面材料巷距离上部902工作面煤层采空区净煤柱尺寸约为8m, 距离新104材料巷距离22m, 此时新102运输巷正好处于工作面保护煤柱应力峰值影响的范围内, 故巷道压力很大, 巷道维护困难。
新102工作面煤层顶底板柱状图如图2所示, 新102工作面煤层直接顶是2.0m厚的灰黑色石灰岩, 之上为1.75m的灰黑色泥岩, 老顶为6.24m的深灰色石灰岩, 致密坚硬。工作面巷道底上留300mm左右浮煤, 直接底为0.3m的碳质泥岩和0.53m的灰色粘土泥岩, 下方为7.41m厚的黑色及灰色泥岩。
工作面地质结构简单, 煤岩层基本为单斜构造区。煤岩层产状为走向北西, 倾向北东, 另外根据相邻新104工作面知, 掘进至切眼附近时, 将揭露2条正断层, 断层落差不大, 预计对掘进不会造成较大影响。
工作面上覆含水层为K2、K3、K4三层灰岩含水层, 其水量较丰富, 对本工作面掘进有一定影响;新102工作面布置在已采902工作面下方, 采空区可能存有一定积水, 对掘进支护有一定影响。下伏含水层为奥陶纪石灰岩含水层, 其水量丰富, 水位标高低于煤层底板标高, 故在掘进期间必须准备好足够的排水设施, 坚持“有掘必探”的原则, 对其进行探放水工作, 确保安全生产。
工作面最大涌水量为50m3/h, 正常涌水量为10～30m3/h。
新阳矿井属低瓦斯矿井, 瓦斯涌出情况较少。工作面煤层具有发火倾向和自燃发火现象, 发火期为4～6个月。煤尘具有强烈爆炸性, 爆炸指数9#煤为18.32%, 10#煤为18.7%, 11#煤为18.44%。
采用锚杆拉拔计确定树脂锚固剂的粘结强度。该测试工作必须在井下施工之前进行完毕。测试应采用施工中所用的锚杆和树脂药卷, 分别在巷道顶板和两帮设计锚固深度上进行三组拉拔试验。粘结强度满足设计要求后方可在井下施工中采用。
针对新阳煤矿新一采区新102工作面10#～11#煤合并层地质及生产条件, 为了充分发挥锚杆支护的作用, 提出以下设计原则有以下几点。
(1) 一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形, 避免二次或多次支护。一方面, 这是矿井实现高效、安全生产的要求, 为采矿服务的巷道和硐室等工程, 需要保持长期稳定, 不能经常维修;另一方面, 这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳, 而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆, 支护效果会受到显著影响。
(2) 高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素, 是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数, 只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护, 才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面, 要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力;另一方面, 通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散, 扩大预应力的作用范围, 提高锚固体的整体刚度与完整性。
(3) “三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度 (如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度) 、刚度 (提高锚杆预应力、全长锚固) , 保证支护系统可靠性的条件下, 降低支护密度, 减少单位面积上锚杆数量, 提高掘进速度。
(4) 临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度, 如果支护强度与刚度低于临界值, 巷道将长期处于不稳定状态, 围岩变形与破坏得不到有效控制。因此, 设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。
(5) 相互匹配原则。锚杆各构件, 包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配, 锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配, 以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。
(6) 可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性, 有利于井下施工管理和掘进速度的提高。
(7) 在保证巷道支护效果和安全程度, 技术上可行、施工上可操作的条件下, 做到经济合理, 有利于降低巷道支护综合成本。
(1) 支护设计确保支护安全, 避免在服务期间进行维修或仅进行局部维修。 (2) 支护参数和支护材料规格具有较好的适应性和施工可行性, 由于井下巷道围岩条件变化很大, 从支护合理性考虑, 可能出现多种支护参数和支护材料规格, 但这将不利于巷道施工和管理。所以, 尽可能采用统一的支护参数和材料规格。 (3) 支护设计要在保证支护质量的同时有利于提高巷道掘进速度。 (4) 在满足前三项原则的前提下, 做到经济合理。
(1) 已掘巷道现有支护状况和矿压观测数据。 (2) 理论分析及数值计算成果。 (3) 新一采区工作面详细地质资料。 (4) 现有科技成果和工程实践经验。
考虑到新102工作面运输巷正好处于煤柱应力峰值影响范围内, 由于运输巷断面较大, 矿方决定将新102工作面两巷位置进行互相调整, 将断面较小的材料巷布置在煤柱应力影响范围内, 根据掘进过程中设备尺寸, 通风要求和巷道围岩变形预留量, 设计新一采区新102工作面材料巷掘进断面尺寸:巷道断面呈矩形, 宽4.3m, 高3.0m, 掘进断面积12.9m2。巷道采用树脂加长锚固锚杆锚索组合支护系统。
锚杆:锚杆形式和规格:杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋, 长度2.2m, 杆尾螺纹为M24。
锚固方式:树脂加长锚固, 采用两支锚固剂, 一支规格为K2335, 另一支规格为M2360。钻孔直径为28。
W钢带规格:采用W钢带护顶, 钢带规格:厚度3mm, 宽280mm, 长度4200mm。
锚杆配件:托盘采用高强度拱型托盘, 规格为150×150×10mm。
锚杆角度:锚杆尽量全部垂直顶板安设, 角锚杆由于靠近煤帮, 现场操作存在一定困难, 要求和顶板角度不超过10°。
网片规格:采用菱形金属网护顶, 网孔规格50×50mm, 网片规格4500×1100mm。
锚杆布置:锚杆排距900mm, 每排4根锚杆, 间距1000mm。
锚杆预紧力矩:≥300N·m。
锚索:锚索形式和规格:锚索材料为φ17.8mm, 1×7股高强度低松弛预应力钢绞线, 长度5300mm, 钻孔直径28mm, 采用一支K2335和两支M2360低粘度树脂药卷锚固, 锚固长度1600mm;
锚索托盘:采用300mm×300mm×16mm高强度托板及配套锁具。
锚索布置:锚索采用“五花”布置, 每900mm打2根锚索, 锚索间距为2000mm, 之后隔900mm在巷道中间打设一根锚索, 锚索均垂直顶板岩层打设。
锚索预紧力:200kN～250kN。
锚杆形式和规格:杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋, 长度2.2m, 杆尾螺纹为M24。
锚固方式:树脂加长锚固, 采用一支锚固剂, 规格为M2360, 钻孔直径为30mm。
W护板规格:采用W钢护板护帮, 钢带厚度3mm, 宽280mm, 长度400mm。
锚杆配件:托盘采用拱型高强度托盘, 规格为150×150×10mm。
网片规格:采用菱形金属网护帮, 网孔规格50×50mm, 网片规格2900×1000mm。
锚杆布置:锚杆排距1000mm, 每排每帮4根锚杆, 间距800mm。
锚杆角度:垂直巷帮打设。
锚杆预紧力矩:≥300N·m。
新一采区新102工作面材料巷支护设计见图3。
巷道每超宽500mm时, 补打一根单体锚杆, 超宽1000mm时, 补打一根锚索。当巷道超高500mm～1000mm时, 应该在距正常巷帮底部位置补打一根单体锚杆, 高顶距离较长时, 应该补打一根锚索, 锚索规格为φ17.8-1×7-5300mm。如遇巷道顶板和两帮不平、巷道淋水以及其它简单地质构造时, 适当缩小锚杆锚索排距, 并保证施工质量;如遇巷道条件变化较大, 应及时联系生产技术部门并通知设计单位根据现场实际情况确定此段巷道的支护方式及支护参数。
说明:锚杆预紧力是巷道支护的关健因素, 必须及时施加预紧力, 优先保证锚杆施工质量, 将锚杆外露长度不作为施工质量标准化的考核指标中, 但必须控制好钻孔深度, 尽量保证锚杆外露长度不超过100mm。
新一采区新102工作面两巷支护材料见表1所列。
井下施工是该项目的关键部分, 所以必须按照设计要求, 保证施工质量。
(1) 准备好试验所需的一切材料、机具和矿压观测仪器, 并保证质量。 (2) 对施工队伍进行技术培训, 使其了解试验目的, 施工工艺和要求, 掌握有关机具的操作, 以便在井下施工中保证质量。
施工工序包括掘进和支护两大部分。巷道顶板支护的施工工艺流程为:掘进→打掉危岩出煤→临时支护→钻顶板中部锚杆孔→清孔→安装树脂药卷和锚杆→用锚杆机搅拌树脂药卷至规定时间→停止搅拌并等待1min左右→铺金属网→上W钢带、托盘、螺母→拧紧螺母→从中向外依次安装其它顶板锚杆。
帮锚杆施工工艺:钻孔、清孔→安装树脂药卷和锚杆→搅拌树脂药卷→等待1min左右→挂网→上钢护板、螺母→拧紧螺母→依次安装其它帮锚杆。
锚索施工工艺:定锚索孔位→用锚索钻机钻进锚索钻孔→清孔→往钻孔内放入树脂药卷→用锚索头部顶住树脂药卷并送入孔底→升起锚索钻机并用搅拌器联接锚索钻机和锚索尾部→转动锚索钻机搅拌树脂药卷至规定时间 (根据树脂药卷使用说明书, 一般为15s～30s) →停止搅拌等待规定时间 (根据树脂药卷使用说明书, 一般为1min) 后收缩锚杆机卸下搅拌器→等待15min→套上托板安装锚具→用张拉设备张拉锚索直到预紧力为200kN以上。
(1) 掘进。要求按设计尺寸施工, 保证成形质量。不得超挖或欠挖。巷道掘进尺寸与设计尺寸相差不得超过200mm。割煤完成后, 应尽可能将浮煤清理干净, 特别是两帮附近的浮煤, 以防造成帮底脚锚杆安装困难。
(2) 临时支护。采用前探梁进行临时支护。
(3) 安装顶锚杆。锚杆应紧跟掘进头及时支护, 空顶距不得超过1.2m。当顶板比较破碎时, 应适当缩小空顶范围。锚杆孔采用单体风动锚杆机完成。先用1.2m的短钎杆, 后换2.4m的长钎杆, 采用φ28mm钻头。钻孔时锚杆机升起, 使钻头顶在顶板图3新一采区新1 0 2工作面材料巷锚杆支护设计图对应的位置, 然后开动锚杆机进行钻孔。孔深要求为2100±30mm, 并保证钻孔垂直岩面。钻头钻到预定孔深后下缩锚杆机, 同时清孔, 清除煤粉和泥浆。放入树脂药卷。锚杆杆尾通过安装器与锚杆机机头联接, 杆端插入已装好树脂药卷的钻孔中, 升起锚杆机, 将孔口处的药卷送入孔底。利用锚杆机搅拌树脂药卷。树脂药卷搅拌是锚杆安装中的关键工序, 搅拌时间按厂家要求严格控制。同时要求搅拌过程连续进行, 中途不得间断。停止搅拌后等待1min左右。利用锚杆钻机拧紧螺母, 之后使用扭矩倍增器或者风动扳手, 使锚杆预紧力矩应达到“300N·m”以上。锚杆排距误差不得超过设计值±50mm。
(4) 安装帮锚杆。帮锚杆安装应紧跟迎头, 最大空帮距离不得超过2.4m。当煤帮斜茬发育, 容易造成片帮时, 帮锚杆必须紧跟迎头及时打设, 不得出现空帮现象, 以防片帮造成锚杆外露太长, 报废锚杆。锚杆间排距误差不得超过设计值50mm。两帮孔深要求2100mm±30mm, 并保证钻孔角度。采用钻机搅拌, 之后使用扭矩倍增器或者风动扳手, 使锚杆预紧力矩应达到“300N·m”以上。其它技术要求同顶板锚杆。
(5) 安装锚索。锚索应紧跟掘进工作面安装, 可以不与锚杆同步安装, 但是滞后时间不超过1个班的作业时间。顶板锚索孔深控制在5950mm～6050mm内。安装树脂药卷, 先放入1个K2335快速树脂药卷, 然后放入2个M2360慢速树脂药卷。插入锚索将树脂药卷推至孔底。锚索下端用专用搅拌器与锚索钻机相连, 开机搅拌。先慢后快, 待锚索全部插入钻孔后, 采用全速旋转搅拌规定时间 (根据树脂药卷使用说明书, 一般为15s～30s) 。停止搅拌后等待规定时间 (根据树脂药卷使用说明书, 一般为1min) , 收缩锚杆机, 卸下搅拌器。搅拌后锚索外露长度应控制在300mm以内。张拉锚索:等待15min后装上托板、锚具, 用张拉千斤顶张拉锚索至设计预紧力 (>200kN) , 之后卸下千斤顶。锚索间距误差不得超过设计值±50mm。
(1) 须定期进行井下锚杆锚固力拉拔试验, 拉拔试验时锚固力不得低于杆体的屈服载荷 (125kN) , 每次数量不少于3根。如果发现锚杆实际锚固力与设计值相差较大, 必须对锚固参数进行调整和修改。
(2) 为了保证施工质量, 须对锚杆锚固力进行抽检 (10%的比例) , 抽检指标为锚杆锚固力不得低于125kN。发现不合格锚杆, 应在其周围补打锚杆。
(3) 掘进时形成的巷帮超宽或片帮超宽时, 应及时处理, 可采用补打单体锚杆的方法进行补强。
(4) 巷道地质条件发生变化时, 应根据变化程度, 调整支护参数或采取应急措施及时处理, 如采用挂网和补打锚索加固。
(5) 试验过程中, 每隔50m在顶板安装一个离层指示仪, 观测围岩移动情况。一旦发生异常现象, 观测人员应立即报告有关领导, 以便采取相应措施。
(6) 金属网的铺设、连接要求:网与网之间的压接宽度100mm, 要求每勾必挂。
(7) 张拉锚索时, 每次使用要两人协作, 张拉油缸应与钢绞线保持在同一轴线上, 加压后, 工具锚卡住钢绞线方能松手, 并用8#铁丝将千斤顶绑在顶网上。操作人员要避开张拉缸轴线方向, 以保证安全。
(8) 张拉时, 发现不合格锚索, 必须在其附近300mm的范围内补打合格锚索。
现有的锚杆支护设计方法很多, 如基于以往经验和围岩分类的经验设计法, 基于某种假说和解析计算的理论设计法, 以现场监测数据为基础的监控设计法。大量实践经验证明, 单独采用任何一种方法都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点, 因而达不到理想的设计效果。只有采用包括试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测和信息反馈、修正设计和日常监测的动态信息设计方法, 才是符合井下巷道围岩特性的科学的设计方法。其中试验点调查包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试等内容, 在此基础上进行地质力学评估, 为初始设计提供可靠的参数。初始设计采用井下实测和经验法相结合的方法进行, 根据井下实测数据和已有经验确定出比较合理的初始设计。然后将初始设计实施于井下, 并进行详细的围岩位移和锚杆受力监测, 根据监测结果验证或修正初始设计。正常施工后还要进行日常监测, 保证巷道安全。
摘要：在煤矿开采过程中, 为保证增大回收率, 部分巷道需要在煤柱中掘进。这些巷道两边为采空区, 支护方式的合理选择, 对掘进施工质量及施工进度影响较大。为提高巷道掘进施工质量及施工速度, 在不改变掘进方法、不增添新设备、不增加施工人员的前提下, 通过分析围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试, 提出了合理的锚杆支护设计, 在施工的应用中取得了明显的效果。新阳煤业在新102材料巷进行了实地试验, 并做好了详细的监测及记录在巷道两帮压力控制上取得了良好的效果, 值得推广。
关键词：煤柱,锚杆,支护,研究
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