综采工作面大断面切眼围岩支护技术

2021-05-19 03:11郭洪臣
江西煤炭科技 2021年2期
关键词:药卷岩层锚索

郭洪臣

(山西寿阳潞阳昌泰煤业有限公司,山西 晋中 045400)

切眼是综采设备安装场所以及采面煤炭回采的起点。切眼围岩支护效果直接关系到综采设备能够否安全安装、采面能否安全回采[1-2]。现阶段巷道围岩控制普遍存在支护强度过高问题,不仅增加支护成本且降低掘进效率,出现上述问题主要原因是:①未能将支护结构与围岩作为整体考虑。②片面增加支护材料强度及密度,如增加锚杆、锚索直径、减小间排距。③锚杆、锚索支护作用未能充分发挥。合理的切眼支护方式不仅可降低劳动强度及支护成本、而且可提升切眼掘进效率[3-5]。

以昌泰矿井1501综采工作面切眼掘进为工程背景,针对切眼断面大顶板岩层难以控制问题,采用理论分析、工程类比技术方法提出围岩控制技术方案,确保了切眼围岩稳定。

1 工程概况

1501 综采工作面开采15#煤层,地面标高+1 238~+1 301 m,工作面标高+905~+1 000 m,采面倾向长度185 m,设计走向长度1 395 m,可采长度1 340 m,四邻对本工作面回采无影响,工作面回采区域地质情况相对简单。

15#煤层厚度0.76~7.45 m,平均3.5 m,倾角5°,节理较发育,顶板为炭质泥岩、砂质泥岩、粗砂岩、细砂岩。在运输顺槽内距切眼35 m位置取顶板岩层岩样(取样长度共计28.5 m)进行测试,具体岩性力学参数测试结果见表1。对切眼顶板岩层岩性分类,综合判定围岩分级为III类,属中等稳定围岩。

表1 顶板岩层岩性力学参数测试结果

2 切眼围岩支护设计

为了降低掘进以及围岩控制难度,1501综采工作面大断面切眼掘进施工采用一次掘进贯通、二次扩刷成巷方式,支护采用锚网与锚索联合支护方式。

2.1 切眼锚网索支护参数

切眼围岩采用锚杆、锚索支护,提供的锚固力与锚杆(索)杆体极限破断载荷相近。

(1)锚杆支护参数

锚杆材质为高强左旋螺纹钢(25MnSi)、直径22 mm,破断载荷220 kN。锚杆锚固长度L11可通过下式计算[6-7]:

式中:P1为锚杆锚固力(按锚杆极限破断载荷取值,取220 kN;R锚为锚杆半径,取11 mm;C1为锚固剂锚固强度,取1.35 MPa。

经计算求得L11=1.85 m。

锚杆锚固时需要的锚固药卷长度L12可通过下式计算:

式中:R为锚杆钻孔半径,取14 mm;R药为药卷半径,取值11.5 mm。

代入上式求得L12=1.05 m。

根据上述结果,采用1支型号K2360、1支型号Z2360树脂药卷即可满足锚固需要,则每根锚杆中实际锚固长度L13为:

顶板布置的锚杆实际提供的锚固力P可通过下式计算:P=2πRC1L13=251.6 kN>220 kN。

综合采面切眼实际地质赋存情况、锚杆支护要求[8-9],锚杆间距、排距均为0.8 m。顶板两侧锚杆与采面帮、实体煤间距分别为0.3 m、0.5 m,且均有20°斜角,长度为2 400 mm;巷帮布置4根锚杆,上部、下部锚杆与顶板、底板间距分别为0.4 m、0.7 m,且均有20°斜角,长度为2 200 mm。

(2)锚索参数

锚索为Φ17.8 mm钢绞线,破断载荷360 kN,将锚索锚固到顶板稳定岩层(砂质泥岩内),锚索锚固长度L21可通过下式计算:

式中:P2为锚索锚固力(按锚索极限破断载荷取值,取360 kN;R索为锚索半径,取8.9 mm;C1为锚固剂锚固强度,取2.5 MPa。

经计算求得L21=2.58 m。

锚索锚固时需要的锚固药卷长度L22可通过下式计算:

式中:R锚为锚索半径,取8.9 mm;R药药卷半径,取11.5 mm。

代入上式求得L12=2.28 m。

根据上述结果,采用2支型号K2360、2支型号Z2360树脂药卷即可满足锚固需要,则每根锚杆中实际锚固长度L23为:

顶板布置的锚杆实际提供的锚固力P可通过下式计算:P=2πRC2L23=486 kN>360 kN。

切眼顶板布置的锚索间距×排距=2.4 m×1.6 m,锚索与实体煤帮间距1.3 m、与采面帮间距1.1 m,均垂直于切眼顶板布置。

2.2 一次掘进切眼支护方案

一次掘进切眼断面为矩形 (宽×高=5.0 m×3.5 m),沿煤层底板掘进,具体掘进完成后切眼围岩支护方案见图1。

图1 一次掘进后切眼围岩支护方案

切眼采用锚杆+锚索+金属网+钢筋梯子梁支护,锚杆、锚索托盘分别为穹形多功能钢托盘(长×宽×厚=150 mm×150 mm×10 mm)、钢板托盘(长×宽×厚=300 mm×300 mm×20 mm),梯子梁用Φ12 mm钢筋焊接而成。金属网(12#铁丝编制而成)的网孔60 mm ,邻近网片间搭接200 mm以上。

2.3 切眼二次扩刷支护

切眼一次掘进贯通后,开始刷扩切眼,将切眼宽度由5.0 m刷扩至8.5 m,矩形断面,具体刷扩后切眼围岩支护方案见图2。

图2 切眼扩刷后支护方案

在二次扩巷时在巷道中线位置布置一排单体支柱,单体顶部采用金属铰接梁、间距均为1 200 mm。当切眼掘进以及扩巷时遇到地质构造或者围岩破碎时,可采取缩小锚杆、锚索间距方式增加支护强度,必要时进行注浆加固。在切眼刷扩完成后采面煤壁帮施工的玻璃钢锚杆预紧扭矩、预紧力分别为70 N·m、10 kN;实体煤帮金属锚杆预紧扭矩、预紧力分别为100 N·m、14 kN; 顶板锚杆预紧扭矩、预紧力分别为180 N·m、20 kN,锚索张紧力在100 kN以上。

3 切眼顶板变形监测

在1501综采工作面切眼掘进过程中,每隔30 m在顶板内布置一组测点,切眼内共计布置6组。每组测点中布置2个传感器,用以对顶板浅层围岩、深部位移进行监测,其中浅部基点传感器用以监测顶板表层岩层变形、深部基点用以监测顶板深部岩层离层情况。浅部基点位于顶板上方2.7~3.0 m(较顶板锚杆深度深0.3~0.6 m)、深部基点位于顶板上方9.8~10.3 m(较锚索深度深0.5~1.0 m)。

在切眼掘进、刷扩完成后顶板离层量在5 mm以内、顶板表层岩层下沉量在57 mm以内,围岩变形量在允许范围内,不会给切眼内综采设备安装带来不利影响。

4 结语

1501综采工作面开采的15#煤层埋深平均240 m,地应力显现不明显,制约切眼围岩控制的主要难题是巷道掘进断面大、顶板控制困难。采用理论分析、工程类比技术方法对切眼围岩支护方案进行设计。现场应用后,切眼顶板最大下沉量控制在57 mm内,顶板离层量在5 mm以内,切眼顶板下沉不会给后续综采设备安装带来不利影响。研究成果可在一定程度上指导矿井15#煤层开采。

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