鳥窩錨索及高強讓壓錨桿在沖擊性全煤巷道中的應用

劉景書

(義馬煤業(yè)集團千秋礦,河南義馬 472300)

鳥窩錨索及高強讓壓錨桿在沖擊性全煤巷道中的應用

劉景書

(義馬煤業(yè)集團千秋礦,河南義馬 472300)

分析了千秋煤礦 21141下風巷在煤柱護巷和周圍工作面回采動壓影響下支護失敗的原因,并介紹了采用鳥窩錨索及高強讓壓錨桿新設計的技術參數(shù)及取得的良好效果,為今后有沖擊性全煤巷道支護提供了有益參考。

鳥窩錨索;高強讓壓錨桿;沖擊性;全煤巷;支護

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

千秋煤礦 2008年核定生產能力 2.1Mt/a,目前只有二水平單一 21采區(qū)生產,主采煤層為侏羅系長焰 2號煤,煤層厚度為 16～22m,平均 19m。煤層頂板為平均厚 28m的泥巖,煤層底板為 3～5m厚的礫巖。煤層具有沖擊礦壓傾向,采用走向長壁沿底一次采全高綜采放頂煤工藝。

2008年 6月開始掘進 21141綜放工作面,該面位于 21區(qū)下山西翼,北鄰 21121工作面 (已采),南鄰 21161工作面 (未采),依次為 21181工作面 (已采),20201工作面 (正采)。工作面走向長度 1537m,平均采深 702.4m,由于工作面下巷臨近已回采工作面,且有沖擊礦壓傾向,頂煤厚大于 15m,因此,巷道支護設計成了技術關鍵。

1 原巷道支護設計

2008年 6月開始掘進時,工作面下巷設計采用錨網(wǎng) (索)后套 36U型鋼棚支護,采用金屬錨桿,長 2500mm,直徑 22mm,間排距 600mm×600mm,錨索采用 φ17.8mm的鋼絞線,間排距3000mm×3000mm,然后套 36U型鋼拱型支架支護(間距 500mm),設計巷道凈寬度 4.9m,凈高度3.7m,凈斷面 18m2。設計要求錨桿支護預緊力必須達到 30kN以上,錨桿托盤必須采用 150mm×150mm×12mm的碟型托盤;錨網(wǎng)與拱型支架之間的預留讓壓距必須達到 0.3m;錨網(wǎng)完成 1排后套棚支護,然后進行下一個循環(huán);巷底留 1～3m厚煤。

2 存在問題分析

2009年 1月,工作面下巷已掘進 500m,由于巷道頂煤厚度大,且受上、下工作面回采動壓影響,礦壓顯現(xiàn)比較明顯,掘進時煤炮頻繁,巷道變形嚴重,主要存在以下問題：

表面控制效果差 該工作面煤層煤質較軟,采用質地柔軟的金屬網(wǎng)護頂,巷道表面出現(xiàn)整體外移現(xiàn)象,錨桿沒有明顯的受力,煤體表面碎脹變形比較嚴重。這是由于托盤沒有真正與巷道表面實現(xiàn)面接觸,不利于錨桿安裝應力及工作應力的有效擴散,錨桿沒有真正起到支護作用。

支護系統(tǒng)的安裝應力低 盡管井下巷道變形比較嚴重,但錨桿卻沒有破斷現(xiàn)象。根據(jù)實測,采用Q335普強全螺紋鋼錨桿,井下的錨桿預緊力約為5kN,而且由于螺紋鋼的螺距太大,在煤炮和施工震動等擾動下,容易出現(xiàn)退絲現(xiàn)象,使得錨桿的預緊力縮減為零,無法控制圍巖的早期變形及頂板離層,達不到主動支護作用。

錨桿錨索的變形不協(xié)調 目前井下采用錨桿與錨索聯(lián)合支護,但由于錨桿預緊力低甚至蛻變?yōu)榱?而錨索預緊力一般在 80kN以上。一般情況下,隨圍巖的變形,錨索受力急劇增加而錨桿受力增加緩慢,同時錨索延伸率低于錨桿延伸率,二者支護變形協(xié)調性差,受力不平衡,造成錨索破斷。

巷道支護效率低 目前井下錨桿的支護密度為600mm×600mm,雖然支護密度很大,但錨桿并沒有明顯的受力,表明其錨桿支護系統(tǒng)沒有充分發(fā)揮錨桿的強度,造成支護系統(tǒng)的效率低。

巷道掘進 1個月后,讓壓距收斂完,36U型鋼棚開始受力,3個月后,兩幫收斂量達到 1500mm以上,支架變形嚴重,抗沖擊能力消失。為保證施工人員安全,需要重新修護。

3 支護系統(tǒng)的新設計

為改變目前的支護現(xiàn)狀,2009年 1月,千秋煤礦與捷馬 (濟寧)礦山支護設備制造有限公司及山東科技大學三方合作,由捷馬公司和山東科技大學根據(jù)現(xiàn)場情況對支護進行重新設計,具體支護設計參數(shù)如圖 1。

圖1 21141工作面下巷支護

3.1 鳥窩讓壓錨索

錨索長度 為了保證頂板錨索能錨固到穩(wěn)定的煤層中,同時考慮到巷道寬度等因素,確定頂板選用長度為 8300mm的錨索,兩幫 4600mm。

錨索安裝載荷 為了加強梁的效應,使錨索和錨桿共同作用支護頂板,錨索的安裝載荷設計為100～120kN。

錨索直徑 根據(jù)錨索的強度和懸吊巖體重量,選用直徑為 17.78mm的錨索,每根鳥窩錨索 6個鳥窩,結構見圖 2。

圖2 鳥窩錨索結構

鳥窩具有以下作用：

對中 鳥窩的大小一般設計制造的比鉆孔小2mm,這樣可以保證錨索在孔中對中,使得樹脂在錨索周圍均勻分布,從而用較少的樹脂用量取得最大的拉拔力。

更好地攪拌樹脂 鳥窩可以起到均勻攪拌樹脂的作用,從而增加錨索的拉拔力。

樹脂 -錨索有機結合 鳥窩是中空的,在樹脂攪拌過程中,樹脂充滿鳥窩,可以使樹脂和錨索成為一整體,從而進一步增加錨索的拉拔強度。

3.2 讓壓均壓高強錨桿

3.2.1 錨桿具備控制變形讓壓和均壓性能

為了盡量保證支護系統(tǒng)適應圍巖變形特性,使每根錨桿都均勻受力,防止錨桿承受過度載荷而破斷,錨桿必須有控制變形讓壓和均壓性能。值得注意的是,這種變形讓壓必須是有 “控制”的讓壓,讓壓性能對頂板支護效果影響很大。合理的讓壓性能應該做到錨桿在一定噸位上 (與錨桿強度有關)穩(wěn)定讓壓,以保證錨桿系統(tǒng)受力均勻和防止錨桿破斷,也就是先支護后讓壓,讓壓距離的大小必須保證圍巖穩(wěn)定。

讓壓均壓高強錨桿結構如圖 3。

圖3 高強高預應力讓壓錨桿

3.2.2 讓壓均壓環(huán)設計

有 2種途徑可以實現(xiàn)錨桿讓壓功能：一種是把桿體本身做成可變形結構,但變形參數(shù)難以控制且成本太高;另一種是保持桿體本身不變,利用讓壓均壓環(huán)進行讓壓 (如圖 4),讓壓均壓環(huán)的基本設計參數(shù)如下：

圖4 讓壓均壓環(huán)

讓壓點 讓壓點即讓壓均壓環(huán)設計的起始讓壓載荷。

讓壓載荷的穩(wěn)定性 一旦讓壓均壓環(huán)開始讓壓,載荷需保持基本穩(wěn)定,過大的載荷下降會導致頂板支護效果不佳。

最大讓壓距離 讓壓均壓環(huán)從穩(wěn)定讓壓開始到桿體載荷開始增加的距離,其大小根據(jù)巷道變形及礦壓的具體情況定。

3.3 巷道支護系統(tǒng)參數(shù)設計

3.3.1 錨桿支護系統(tǒng)

錨桿類型為高強高預應力讓壓均壓錨桿;錨桿參數(shù)為 φ22mm×2400mm;桿體材料為 Q500礦用高強螺紋鋼,屈服載荷大于 190kN,抗拉載荷大于250kN;樹脂錨固劑為 CK2335型 2卷;讓壓裝置最大讓壓距離 30mm,讓壓點 170～200kN;采用金屬網(wǎng) +鋼帶護表;W鋼帶為 2945mm×275mm×2.5mm(孔間距為 915mm);間距為 800mm。

3.3.2 輔助支護

采用錨索類型為 φ17.78mm 6鳥窩讓壓錨索,長度為頂板 8300mm,兩幫 4600mm;讓壓裝置最大讓壓距離 30mm,讓壓點 220～250kN;頂幫排距均為 1600mm,布置在兩排錨桿中間。

3.4 施工技術要求

錨桿外露長度 30～80mm;錨桿扭矩不能低于220N·m;錨索預緊力 100～120kN;嚴格控制眼深,不得超過 30～50mm;錨固劑攪拌時間為 20～25s;錨固劑攪拌完畢后 20～25min后,進行安裝。

4 支護效果分析

為全面監(jiān)測 21141工作面下巷采用高強高預應力讓壓均壓錨桿支護段巷道的支護狀態(tài),監(jiān)控巷道所受到的掘進和采煤工作面影響,掌握圍巖變形規(guī)律,確定巷道穩(wěn)定程度,以便及時采取措施保證礦井安全生產,巷道掘進 300m后進行了礦壓監(jiān)測。

巷道頂?shù)装遄畲笠平?350mm,最小 104mm,平均 227mm;兩幫移近量較小,最大 92mm。巷道收斂一般在掘進后 10d內最劇烈,一個月后趨于穩(wěn)定;采用測力計對錨桿預緊力進行檢測,均達到100kN以上,符合技術要求;通過拉拔試驗檢測,錨固力全部符合技術要求。

21141下巷采用新支護設計后掘進 500m,在施工過程中盡管煤炮頻繁,但未出現(xiàn)冒頂事故,巷道變形量小,斷面滿足生產需要,巷道修護量不大,實現(xiàn)了安全生產,取得了良好的效果。

5 結論

高強高預應力讓壓均壓錨桿和鳥窩讓壓錨索在21141下巷的試驗成功,解決了千樹煤礦綜放工作面沿底掘進巷道支護問題,取得了顯著的經(jīng)濟效益,為創(chuàng)建安全高效礦井打下了堅實的基礎。

[1]連傳杰,等 .高應力讓壓錨桿數(shù)值模擬方法研究 [J].巖土工程學報,2008(10).

[2]馬風權,等.半煤巖巷道復合頂板支護設計 [J].煤炭技術,2009(5).

TD353.6

B

1006-6225(2010)01-0062-03

2009-06-15

劉景書 (1963-),男,陜西渭南人,采礦高級工程師,現(xiàn)任千秋煤礦副總工程師。

林健]