鸟窝锚索及高强让压锚杆在冲击性全煤巷道中的应用

刘景书

(义马煤业集团千秋矿,河南义马 472300)

鸟窝锚索及高强让压锚杆在冲击性全煤巷道中的应用

刘景书

(义马煤业集团千秋矿,河南义马 472300)

分析了千秋煤矿 21141下风巷在煤柱护巷和周围工作面回采动压影响下支护失败的原因,并介绍了采用鸟窝锚索及高强让压锚杆新设计的技术参数及取得的良好效果,为今后有冲击性全煤巷道支护提供了有益参考。

鸟窝锚索;高强让压锚杆;冲击性;全煤巷;支护

Application of Nest Anchored Rope and Y ielding Anchored Bolt with High Strength in Full-coal Roadway with Bursting L iability

千秋煤矿 2008年核定生产能力 2.1Mt/a,目前只有二水平单一 21采区生产,主采煤层为侏罗系长焰 2号煤,煤层厚度为 16～22m,平均 19m。煤层顶板为平均厚 28m的泥岩,煤层底板为 3～5m厚的砾岩。煤层具有冲击矿压倾向,采用走向长壁沿底一次采全高综采放顶煤工艺。

2008年 6月开始掘进 21141综放工作面,该面位于 21区下山西翼,北邻 21121工作面 (已采),南邻 21161工作面 (未采),依次为 21181工作面 (已采),20201工作面 (正采)。工作面走向长度 1537m,平均采深 702.4m,由于工作面下巷临近已回采工作面,且有冲击矿压倾向,顶煤厚大于 15m,因此,巷道支护设计成了技术关键。

1 原巷道支护设计

2008年 6月开始掘进时,工作面下巷设计采用锚网 (索)后套 36U型钢棚支护,采用金属锚杆,长 2500mm,直径 22mm,间排距 600mm×600mm,锚索采用 φ17.8mm的钢绞线,间排距3000mm×3000mm,然后套 36U型钢拱型支架支护(间距 500mm),设计巷道净宽度 4.9m,净高度3.7m,净断面 18m2。设计要求锚杆支护预紧力必须达到 30kN以上,锚杆托盘必须采用 150mm×150mm×12mm的碟型托盘;锚网与拱型支架之间的预留让压距必须达到 0.3m;锚网完成 1排后套棚支护,然后进行下一个循环;巷底留 1～3m厚煤。

2 存在问题分析

2009年 1月,工作面下巷已掘进 500m,由于巷道顶煤厚度大,且受上、下工作面回采动压影响,矿压显现比较明显,掘进时煤炮频繁,巷道变形严重,主要存在以下问题：

表面控制效果差 该工作面煤层煤质较软,采用质地柔软的金属网护顶,巷道表面出现整体外移现象,锚杆没有明显的受力,煤体表面碎胀变形比较严重。这是由于托盘没有真正与巷道表面实现面接触,不利于锚杆安装应力及工作应力的有效扩散,锚杆没有真正起到支护作用。

支护系统的安装应力低 尽管井下巷道变形比较严重,但锚杆却没有破断现象。根据实测,采用Q335普强全螺纹钢锚杆,井下的锚杆预紧力约为5kN,而且由于螺纹钢的螺距太大,在煤炮和施工震动等扰动下,容易出现退丝现象,使得锚杆的预紧力缩减为零,无法控制围岩的早期变形及顶板离层,达不到主动支护作用。

锚杆锚索的变形不协调 目前井下采用锚杆与锚索联合支护,但由于锚杆预紧力低甚至蜕变为零,而锚索预紧力一般在 80kN以上。一般情况下,随围岩的变形,锚索受力急剧增加而锚杆受力增加缓慢,同时锚索延伸率低于锚杆延伸率,二者支护变形协调性差,受力不平衡,造成锚索破断。

巷道支护效率低 目前井下锚杆的支护密度为600mm×600mm,虽然支护密度很大,但锚杆并没有明显的受力,表明其锚杆支护系统没有充分发挥锚杆的强度,造成支护系统的效率低。

巷道掘进 1个月后,让压距收敛完,36U型钢棚开始受力,3个月后,两帮收敛量达到 1500mm以上,支架变形严重,抗冲击能力消失。为保证施工人员安全,需要重新修护。

3 支护系统的新设计

为改变目前的支护现状,2009年 1月,千秋煤矿与捷马 (济宁)矿山支护设备制造有限公司及山东科技大学三方合作,由捷马公司和山东科技大学根据现场情况对支护进行重新设计,具体支护设计参数如图 1。

图1 21141工作面下巷支护

3.1 鸟窝让压锚索

锚索长度 为了保证顶板锚索能锚固到稳定的煤层中,同时考虑到巷道宽度等因素,确定顶板选用长度为 8300mm的锚索,两帮 4600mm。

锚索安装载荷 为了加强梁的效应,使锚索和锚杆共同作用支护顶板,锚索的安装载荷设计为100～120kN。

锚索直径 根据锚索的强度和悬吊岩体重量,选用直径为 17.78mm的锚索,每根鸟窝锚索 6个鸟窝,结构见图 2。

图2 鸟窝锚索结构

鸟窝具有以下作用：

对中 鸟窝的大小一般设计制造的比钻孔小2mm,这样可以保证锚索在孔中对中,使得树脂在锚索周围均匀分布,从而用较少的树脂用量取得最大的拉拔力。

更好地搅拌树脂 鸟窝可以起到均匀搅拌树脂的作用,从而增加锚索的拉拔力。

树脂 -锚索有机结合 鸟窝是中空的,在树脂搅拌过程中,树脂充满鸟窝,可以使树脂和锚索成为一整体,从而进一步增加锚索的拉拔强度。

3.2 让压均压高强锚杆

3.2.1 锚杆具备控制变形让压和均压性能

为了尽量保证支护系统适应围岩变形特性,使每根锚杆都均匀受力,防止锚杆承受过度载荷而破断,锚杆必须有控制变形让压和均压性能。值得注意的是,这种变形让压必须是有 “控制”的让压,让压性能对顶板支护效果影响很大。合理的让压性能应该做到锚杆在一定吨位上 (与锚杆强度有关)稳定让压,以保证锚杆系统受力均匀和防止锚杆破断,也就是先支护后让压,让压距离的大小必须保证围岩稳定。

让压均压高强锚杆结构如图 3。

图3 高强高预应力让压锚杆

3.2.2 让压均压环设计

有 2种途径可以实现锚杆让压功能：一种是把杆体本身做成可变形结构,但变形参数难以控制且成本太高;另一种是保持杆体本身不变,利用让压均压环进行让压 (如图 4),让压均压环的基本设计参数如下：

图4 让压均压环

让压点 让压点即让压均压环设计的起始让压载荷。

让压载荷的稳定性 一旦让压均压环开始让压,载荷需保持基本稳定,过大的载荷下降会导致顶板支护效果不佳。

最大让压距离 让压均压环从稳定让压开始到杆体载荷开始增加的距离,其大小根据巷道变形及矿压的具体情况定。

3.3 巷道支护系统参数设计

3.3.1 锚杆支护系统

锚杆类型为高强高预应力让压均压锚杆;锚杆参数为 φ22mm×2400mm;杆体材料为 Q500矿用高强螺纹钢,屈服载荷大于 190kN,抗拉载荷大于250kN;树脂锚固剂为 CK2335型 2卷;让压装置最大让压距离 30mm,让压点 170～200kN;采用金属网 +钢带护表;W钢带为 2945mm×275mm×2.5mm(孔间距为 915mm);间距为 800mm。

3.3.2 辅助支护

采用锚索类型为 φ17.78mm 6鸟窝让压锚索,长度为顶板 8300mm,两帮 4600mm;让压装置最大让压距离 30mm,让压点 220～250kN;顶帮排距均为 1600mm,布置在两排锚杆中间。

3.4 施工技术要求

锚杆外露长度 30～80mm;锚杆扭矩不能低于220N·m;锚索预紧力 100～120kN;严格控制眼深,不得超过 30～50mm;锚固剂搅拌时间为 20～25s;锚固剂搅拌完毕后 20～25min后,进行安装。

4 支护效果分析

为全面监测 21141工作面下巷采用高强高预应力让压均压锚杆支护段巷道的支护状态,监控巷道所受到的掘进和采煤工作面影响,掌握围岩变形规律,确定巷道稳定程度,以便及时采取措施保证矿井安全生产,巷道掘进 300m后进行了矿压监测。

巷道顶底板最大移近量 350mm,最小 104mm,平均 227mm;两帮移近量较小,最大 92mm。巷道收敛一般在掘进后 10d内最剧烈,一个月后趋于稳定;采用测力计对锚杆预紧力进行检测,均达到100kN以上,符合技术要求;通过拉拔试验检测,锚固力全部符合技术要求。

21141下巷采用新支护设计后掘进 500m,在施工过程中尽管煤炮频繁,但未出现冒顶事故,巷道变形量小,断面满足生产需要,巷道修护量不大,实现了安全生产,取得了良好的效果。

5 结论

高强高预应力让压均压锚杆和鸟窝让压锚索在21141下巷的试验成功,解决了千树煤矿综放工作面沿底掘进巷道支护问题,取得了显著的经济效益,为创建安全高效矿井打下了坚实的基础。

[1]连传杰,等 .高应力让压锚杆数值模拟方法研究 [J].岩土工程学报,2008(10).

[2]马风权,等.半煤岩巷道复合顶板支护设计 [J].煤炭技术,2009(5).

TD353.6

B

1006-6225(2010)01-0062-03

2009-06-15

刘景书 (1963-),男,陕西渭南人,采矿高级工程师,现任千秋煤矿副总工程师。

林健]