高应力煤巷翻修锚网索支护技术

张俊国,周奕朝

(1.河北邯郸市峰峰集团有限公司黄沙矿,河北邯郸 056200;2.冀中能源邯矿集团郭二庄矿业有限公司,河北邯郸 056303)

高应力煤巷翻修锚网索支护技术

张俊国1,周奕朝2

(1.河北邯郸市峰峰集团有限公司黄沙矿,河北邯郸 056200;2.冀中能源邯矿集团郭二庄矿业有限公司,河北邯郸 056303)

全断面锚网索支护在高应力煤巷翻修二次支护中成功实施在集团公司是首例,黄沙矿在 112101地区由于受地质构造和上部采空区的影响,致使采用第 1次 U36型钢支护不能满足基本使用后,经过技术对比和理论计算,在二次翻修时大胆实施全断面锚网索支护技术取得了成功。同时也取得了巨大的经济和社会效益。

高应力;翻修;锚网索支护;采空区

AnchoredM esh and Rope Supporting Technology of Rebuilding Coal Roadway with High Stress

112101下块运料巷沿 112101采空区掘进,与采空区边界净煤柱 5m;运输巷沿 F37断层保护煤柱掘进。原设计两巷均沿大煤底板留顶煤掘进,采用4节 U36型钢支护,断面为半圆拱型。巷道开掘后,矿压显现极其明显,支架变形严重,严重影响了掘进速度。不仅如此,随着掘进时间的增加后路巷道支架扭曲、顶部压劈、卡缆丝崩断,两帮收敛量极大,这不仅给巷道掘进带来重大安全隐患,而且根本无法满足回采时的基本使用。因此,如何采取合理的支护方式,保证 112101下块工作面巷道的有效支护,成为研究的技术课题。

1 地质条件

1.1 构造情况

本工作面煤层结构简单,地质构造复杂,多为断裂构造,对工作面掘进影响较大的断层有 3条,落差 2.2～3m,断层走向呈 NE,向工作面延伸,东部边界 F37断层落差在 20～73m,属大中型构造,次生构造较为发育。

1.2 煤层情况

112101下块工作面煤层厚度较为稳定,煤层结构简单,煤层倾角变化较小,煤层平均厚度4.5m,煤层倾角 18～22°,平均 21°。

1.3 煤层顶、底板情况

直接顶为粉砂岩,厚 0～3m,灰黑色,含少量植物化石及黄铁矿;基本顶为中粒砂岩,厚 16m,灰白色,结构致密,含炭、长石;直接底为粉砂岩,厚 5m,灰黑色,富含植物根化石;老底为中粒砂岩,厚 3～5m,灰白色,结构致密,含炭。

1.4 工作面四邻采掘情况

112101下块工作面上部为 112101轻放面,已回采完毕,北至 -500m主暗斜井保护煤柱,东部以 F37断层为界,工作面标高 -370～-420m。

2 原支护方式及支护状况

2.1 原支护方式

112101下块工作面位于 112101工作面与 F37断层之间,倾斜长度约 35m,工作面两巷掘进时,由于处于压力集中区,所以原设计支护为 U36型钢支护,间距700m。

该工作面巷道掘进中顶煤松软,难以保留,给掘进安全及生产带来较大困难。第一次支护完成后,后路巷道 U型钢 30%被压劈,U型钢卡缆连接 60%折断。巷道底鼓 1.2m以上,两帮平均位移达到 2.6m。致使巷道无法满足基本使用。

U型钢支护后,巷道来压迅速,顶底板移近速度快,最高值可达 100mm/d;流变性显著,巷道掘进后很长时间不稳定,U型钢变形损坏严重,钢帽扭曲变形;顶底板移近量大于两帮移近量,底鼓显现突出;巷道直接顶及基本顶仍比较完整,顶板下沉量较小。

3 支护设计

根据以上顶板监测情况,以及该区顶底板岩性,结合锚网索支护经验,通过理论计算提出对112101下块回风巷整修支护改用全断面锚网索联合支护的方式。回风巷沿顶、底板全断面掘进,断面4m×3.5m。

3.1 巷道围岩破坏范围及围岩压力计算

(1)巷道两帮煤体受压破坏深度 C:

式中,H为巷中高,取 3.5m;α为煤的内摩擦角, 45°。

则C=1.45m。

(2)巷道顶板冒落拱高度 b:

式中,a1为承受弯曲的悬臂岩层的半跨距,m,a1=2.0m;Rc为巷道顶板岩层的抗压强度,N/m2,取4024N/m2。

则 b=0.857m。

(3)顶板压力 QR:

式中,r为岩石的密度,23kN/m3。

则QR=52.56kN/m2。

两帮煤体侧向压力Qs为:

式中,rc为岩石的混合密度,15.3kN/m3;b= 0.857m。

则:Qs=5432N/m3。

3.2 锚索参数确定

顶板锚网索联合支护,两帮锚网支护。

(1)锚索长度:

式中,Ld为锚索长度,m;b为冒落拱高度, 0.857m;Ld1为冒落拱以外锚固长度,1.5m;Ld2为锚索外露长度;0.5m。

则Ld=2.857m,结合《煤巷锚杆支护规范》取Ld=6.5m。

(2)锚索支护方式:

考虑到该工作面受压情况及支护的安全性,巷道顶部布置 2排锚索,排距 1.4m,间距 2.8m。

(3)锚固剂用量:

锚索孔径为 28mm,锚索直径为 15.24mm,树脂锚固剂药卷直径为 23mm,锚固长度为 1500mm,每根锚索需要锚固剂药卷长度为:

采用 3种树脂药卷,分别是 2支 CK2335,2支 K2335,1支 Z2335。

(4)锚索支护强度验算:

式中,P索为锚索支护强度,kN/m3;n为每排锚索数,2根;P为锚索破坏负荷,260.70kN;D排为锚索排距,2m。

则 P索=260.70kN/m3>QR=49.37kN/m3

故锚索支护强度满足支护要求。

3.3 锚网支护参数

锚杆参数的确定,根据组合梁原理计算。

(1)锚杆长度L:

式中,L1为锚杆外露长度,取 100mm;L2为锚杆锚固长度,取 950mm;L3为组合梁自撑厚度,m。

式中,B为固定支撑压力影响系数,取 1;K1为与施工方法有关的安全系数,取 5;P为组合梁上的均布载荷,130kN;<为组合梁层数有关的系数,取 0.75;δ为最上一层岩层的抗拉强度,取0.72MPa;δΧ为原岩水平压力,δΧ=λyΖ = 3.68MPa。

则L3=216mm;L=1266m,根据规范及实际情况,取L=1800mm;每根锚杆配备 2支树脂锚固剂。

(2)锚杆间排距:

根据锚网索支护经验,当锚杆间排距为锚杆长度 1/2～1/3时,能形成比较厚的压力拱,而且比较稳定,故间排距为 600～900mm,考虑到本巷道的现状及锚杆在巷道上的均匀布置,取间排距为700mm×700mm。

(3)锚杆直径、材质:

根据《煤巷锚网支护设计规范》及邻近采区的使用情况,锚杆选用直径 <18mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆,锚杆设计锚固力为 64kN,每根锚杆配备 1个直径120mm,厚10mm的铸钢圆托板和一个竹托板。

(4)网:

采用金属菱形网,用 10号铁丝制做,规格1400mm×800mm,延网长度 100mm。

4 锚网索支护施工工艺及技术要求

4.1 施工工艺

交接班 (安全检查)→轮线点眼→钻眼→装药→洒水→放炮→洒水→敲帮问顶→出煤→临时支护 (去U型钢帽)→打顶锚杆 (挂网)→刷帮(去U型钢腿)→打帮锚杆 (挂网)→打锚索。

4.2 技术要求

(1)施工时严格按线施工,必须保证回风巷与采空区间煤柱的宽度,确保锚杆的支护强度。

(2)顶板破碎时,必须配合 <20mm螺纹纲焊接的梯子梁加强支护。

(3)锚索预紧力不得小于 200kN,锚杆预紧力不小于80kN。

(4)出现失效锚杆、锚索,须立即补打。

(5)按规定成立质量管理小组,及时对顶板离层进行观测,发现顶板离层超过规范规定,立即采取措施,进行处理。

支护改进后,顶板整体性得到强化,两帮在有效支护下移近量减小;巷道底鼓状况明显减慢,通过局部扩整满足了巷道使用。

5 技术经济分析

U型钢支护 U36型钢每架 2800元;3节 U型钢 6副卡缆 =336元,即每架U36型钢总费用为3136元。网片每架一片 56元,裱褙材料每架 104元。故此每架支护费用为 3296元;U钢支护辅助费 31元/m;裱褙材料 48元/m,共计 790元,人工费 880元/m,U钢间距为 700mm。U刚支护每米费用为 5705元。

锚网索支护 锚杆直径 18mm,长 1800mm,每根锚杆配备 2支 K2335型树脂药卷,铸钢托盘及竹托盘各 1个,每根共计 35元,锚杆间排距为700mm×700mm;锚索直径 17.8mm,长 6500mm,每根配备 5支树脂药卷,钢托盘 1个,每根共计122元,间排距 2800mm×1400mm;10号钢丝网片(1.4m×0.8m)。则每米需锚杆 23套,锚索需 1.4套,钢丝网片 12.1片,人工费 720元/m。故每米支护费用为 1950元。辅助费用 52元/m。则锚网索支护每米总费用为 2002元。

2009年 1～6月份共翻修巷道 880m,综合效益为 325.8万元。

同时,锚网索支护技术不仅有效降低了工人的劳动强度,也为采煤工作面超前处理和快速回采创造了条件,极大地提高了采煤工作面的回采效率,而且有效降低了 U型钢回收时的辅助费用和人工费用。

6 结论

在高应力区通过对地质条件和巷道顶、底板稳定状况的分析,在理论数据支持下,在类似条件下应用全断面锚网索支护,不仅技术上科学合理,而且效益显著。在对巷道有效支护的同时,极大地减轻了工人劳动强度,同时为工作面快速回采提供了条件。黄沙矿应用该技术的成功为集团公司在高应力条件下的全煤巷锚网索支护的推广和应用又提供了新的技术支持和经验。

[责任编辑:王兴库]

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1006-6225(2010)03-0067-03

2009-07-13

张俊国 (1967-),男,河北藁城人,高级工程师,副总工程师,冀中能源黄沙矿副矿长。