全長預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)防止鉆孔瓦斯積聚技術(shù)研究

吳擁政,何 杰,高來舉

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;

2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;3.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）,北京 100083）

全長預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)防止鉆孔瓦斯積聚技術(shù)研究

吳擁政1,2,何 杰1,2,高來舉3

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;

2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;3.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）,北京 100083）

高瓦斯礦井錨桿錨索孔內(nèi)高濃度瓦斯積聚,工作面回采過程中由于錨桿錨索各構(gòu)件在高速旋轉(zhuǎn)過程中相互碰撞或端頭支架與錨桿錨索頭碰撞產(chǎn)生火花而引燃錨桿錨索孔中高濃度瓦斯造成安全事故。分析了錨桿孔中瓦斯罐的形成及瓦斯燃燒因素,井下實(shí)測了錨桿支護(hù)巷道中瓦斯含量,并對結(jié)果進(jìn)行了分析。論述了實(shí)現(xiàn)全長預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施,并在井下進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。由于采用了全長預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng),錨桿與孔壁之間的間隙被錨固劑完全充填,不僅支護(hù)效果良好,而且消除了高瓦斯礦井錨桿支護(hù)巷道中瓦斯罐的隱患。

全長預(yù)應(yīng)力;瓦斯積聚;瓦斯罐

煤層瓦斯是造成煤與瓦斯突出、瓦斯異常涌出以及瓦斯爆炸等重大瓦斯災(zāi)害的主導(dǎo)因素,瓦斯災(zāi)害的有效控制是保證煤礦可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵性問題。在煤與瓦斯突出礦井中,隨著開采強(qiáng)度的不斷增大,地質(zhì)條件的不斷惡化,礦井瓦斯涌出量也不斷增加。

錨桿支護(hù)作為煤炭開采中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)以其及時(shí)、主動的特點(diǎn),在國內(nèi)目前巷道支護(hù)中占據(jù)著越來越大的比重[1]。然而,近年來越來越多的高瓦斯礦區(qū)相繼出現(xiàn)了錨桿、錨索孔內(nèi)高濃度瓦斯積聚,在錨桿安裝或工作面回采過程中,由于錨桿（索）各構(gòu)件在高速旋轉(zhuǎn)過程中相互碰撞或端頭支架與錨桿錨索頭碰撞產(chǎn)生火花而引燃錨桿錨索孔中高濃度瓦斯造成安全事故。2002年某礦在回采巷道中打錨桿時(shí),因托盤旋轉(zhuǎn)與鋼帶摩擦產(chǎn)生火花,引燃了鉆孔內(nèi)涌出的瓦斯,造成瓦斯燃燒,燃燒面積 300mm×400mm;2006年某礦在井底車場切割廢棄的錨桿時(shí)連續(xù)發(fā)生 2次錨桿孔瓦斯燃燒事故;某礦在錨桿支護(hù)巷道中曾發(fā)現(xiàn)突然有火苗從巷道煤壁中冒出;某礦在工作面的尾巷,由于錨桿眼內(nèi)瓦斯積聚,在錨桿錨索斷裂過程中發(fā)生瓦斯燃燒事故。2007年在深部安全開采論證會上,某礦業(yè)集團(tuán)某礦在匯報(bào)過程中提到該礦曾對錨桿孔內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行過測試,測試結(jié)果孔內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?95%。

消除錨桿支護(hù)巷道中這一重大安全隱患,從根本上講是消除巷道中錨桿孔的瓦斯積聚現(xiàn)象。本文從錨桿孔中瓦斯罐的形成以及瓦斯燃燒的因素進(jìn)行了分析,對各種不同條件的錨桿支護(hù)巷道錨桿孔中瓦斯含量進(jìn)行了測定和分析,提出了解決這一安全隱患的方法。

1 錨桿孔中瓦斯罐形成分析

由于錨桿的支護(hù)作用顯著,現(xiàn)在高瓦斯礦井中巷道支護(hù)方式主要選用錨桿支護(hù)技術(shù),錨桿在發(fā)揮作用的同時(shí),由于其所處的工程環(huán)境有別,錨桿在連接破碎煤體與穩(wěn)定區(qū)域同時(shí),錨桿局部或者大部分處于破碎的煤體中,而錨桿采用端錨或者加長錨固,錨桿尾部采用托盤和螺母預(yù)緊,加上煤體瓦斯的不斷溢出,尤其是在破碎煤體中瓦斯解析更加明顯,這樣就在錨桿孔與錨桿之間形成了一個(gè)封閉瓦斯的集聚地,稱為錨桿孔中的瓦斯罐,高瓦斯礦井中錨桿孔瓦斯罐如圖 1。

圖1 錨桿孔中瓦斯罐

2 錨桿孔中瓦斯燃燒因素分析

瓦斯燃燒必須具備的條件:一定濃度的甲烷、一定溫度的引火源和足夠的氧。

（1）爆炸界限 理論分析和試驗(yàn)研究表明,在正常的大氣環(huán)境中,瓦斯在一定的濃度范圍內(nèi)會爆炸,這個(gè)濃度范圍稱為瓦斯的爆炸界限。其最低濃度界限叫爆炸下限,其最高濃度界限叫爆炸上限,在新鮮空氣中,瓦斯爆炸界限為 5%～16%。當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀诒ㄏ孪迺r(shí),遇高溫火源并不爆炸,只是在火焰外圍形成穩(wěn)定的燃燒層,當(dāng)濃度高于爆炸上限時(shí),有新鮮空氣供給時(shí),該混合氣體會在瓦斯氣體與空氣的接觸面上燃燒,因此,在鉆孔孔口處易發(fā)生瓦斯燃燒事故。

（2）引火溫度 瓦斯的最低點(diǎn)燃溫度和最小點(diǎn)燃能量取決于空氣中的瓦斯?jié)舛?、初壓和火源的能量及其放出的?qiáng)度和作用時(shí)間。瓦斯 -空氣的混合氣體的最低點(diǎn)燃溫度絕熱壓縮時(shí) 565℃,其它情況是 650℃,最低點(diǎn)燃能量為 0.28mJ。并且瓦斯燃燒的感應(yīng)期總是小于爆炸的感應(yīng)期,因此,錨桿鉆孔孔口處極易發(fā)生瓦斯燃燒事故。

（3）氧的濃度 當(dāng)氧氣濃度減少到 12%以下時(shí),瓦斯混合氣體即失去爆炸性,只有在新鮮空氣供給時(shí),高濃度瓦斯混合氣體才會燃燒。

高瓦斯巷道錨桿支護(hù)采用端錨或加長錨固容易在鉆孔中形成瓦斯罐,導(dǎo)致鉆孔中高濃度瓦斯混合氣體聚集并在孔口處與巷道中新鮮空氣接觸,這樣瓦斯燃燒極有可能在瓦斯混合氣體和新鮮空氣的接觸面上發(fā)生。

因此,要防止錨桿、錨索鉆孔中瓦斯罐的形成和瓦斯的燃燒,首先對要進(jìn)行錨桿支護(hù)巷道進(jìn)行理論分析,保證巷道支護(hù)安全。另外,煤體瓦斯含量、煤層的透氣性、煤體垂直應(yīng)力分布,以及煤體壓力梯度是影響錨桿孔中瓦斯聚集程度的因素,對于具體巷道而言,煤層的透氣性是影響瓦斯聚集的關(guān)鍵因素,采動條件下,瓦斯的透氣性與煤體的應(yīng)力分布有密切的關(guān)系。

3 錨桿支護(hù)巷道中瓦斯含量實(shí)測分析

從影響錨桿孔中瓦斯燃燒因素分析來看,高瓦斯礦井錨桿支護(hù)巷道中瓦斯罐燃燒的關(guān)鍵因素是瓦斯的含量。為詳細(xì)掌握巷道中錨桿孔的瓦斯含量,對潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司不同錨桿支護(hù)巷道中錨桿孔中瓦斯含量進(jìn)行了實(shí)測分析。

3.1 巷道支護(hù)方式

余吾煤業(yè)公司 N1202工作面膠帶巷為矩形斷面,沿底板掘進(jìn)。寬 4.8m,高 3.2m,掘進(jìn)面積15.36m2。采用錨梁網(wǎng)加錨索支護(hù),頂部為 6根φ22mm×2400mm讓壓錨桿,每根錨桿采用 1支K2335樹脂藥卷和 1支 Z2360樹脂藥卷錨固。錨桿排距 1000mm,頂錨桿間距 860mm,每幫為 4根φ22mm×2400mm讓壓錨桿,每根錨桿采用 1支Z2360樹脂藥卷錨固,錨桿排距為 1000mm,間距為 850mm,頂部采用W鋼帶支護(hù)。頂部布置 2排錨索,方式為三花布置,錨索規(guī)格 φ17.8mm×8300mm,錨索排距 1m,間距 2.58m,采用 1支K2335樹脂藥卷和 2支 Z2360樹脂藥卷錨固。

S1202瓦排巷沿 3號煤頂板掘進(jìn),巷道斷面為矩形,寬 3.8m,高 3.2m,斷面積為 12.16m2,巷道采用樹脂錨固,雙泡讓壓錨桿、錨 （網(wǎng)）索組合支護(hù)方式。頂板錨桿桿體為 φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼鋼筋,長度 2.4m,樹脂加長錨固,采用 2支 K2350低黏度快速樹脂錨固藥卷錨固。沿空掘巷段錨桿排距 700mm,每排 6根錨桿,間距700mm。錨索材料為 φ18.9mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長度 8300mm,采用 3支 K2350低黏度快速樹脂藥卷錨固,每排 3根,排距 700mm,間距 1000mm。巷幫支護(hù)錨桿排距 700mm,每幫 5根錨桿,間距 700mm。

3.2 錨桿孔中瓦斯含量實(shí)測結(jié)果分析

為了掌握高瓦斯巷道中掘進(jìn)面處錨桿孔中瓦斯含量,對余吾煤業(yè)公司井下巷道進(jìn)行實(shí)測,測量在巷道剛開挖出來后,未進(jìn)行錨桿安裝之前進(jìn)行測量,為方便記錄,對觀測的錨桿孔進(jìn)行編號,編號順序從右?guī)偷阶髱?如圖 2。主要對 S1202回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷、瓦排巷及南二進(jìn)風(fēng)下山、N1202膠帶巷等 5條巷道進(jìn)行了測量,測量結(jié)果如表 1～5。

圖2 巷道中所測錨桿孔編號

表1 S1202回風(fēng)巷 （沿底掘進(jìn)）錨桿孔瓦斯?jié)舛?/p>

表2 S1202進(jìn)風(fēng)巷 （沿頂掘進(jìn)）錨桿孔瓦斯?jié)舛?/p>

表3 S1202瓦排巷 （沿頂掘進(jìn)）錨桿孔瓦斯?jié)舛?/p>

表4 南二進(jìn)風(fēng)下山 （沿頂掘進(jìn)）錨桿孔瓦斯?jié)舛?/p>

表5 N1202膠帶巷 （沿底掘進(jìn)）錨桿孔瓦斯?jié)舛?/p>

由表 1～5可以看出:沿底板掘進(jìn)巷道中,錨桿孔瓦斯?jié)舛绕毡橐哂谘仨敯寰蜻M(jìn)巷道 （瓦排巷除外）;在同一條錨桿支護(hù)巷道中,巷道沿底掘進(jìn)時(shí),可以發(fā)現(xiàn)頂板錨桿 （索）孔中瓦斯?jié)舛雀哂趦蓭屯咚節(jié)舛?而沿頂板掘進(jìn)時(shí),錨桿孔中瓦斯含量剛好相反,兩幫瓦斯?jié)舛雀哂陧敯?同一巷道同一斷面條件下,兩幫頂角錨桿孔中瓦斯?jié)舛绕毡楦哂谄渌^桿孔;錨桿鉆孔中的瓦斯?jié)舛绕毡楦哂谕咚贡ㄉ舷?最高濃度達(dá) 98%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了瓦斯爆炸范圍,存在瓦斯燃燒重大隱患。

結(jié)合巷道圍巖受力特征可知:巷道開挖后,巷道周圍遭到不同程度的破壞,巷道一定深度范圍內(nèi),煤體破碎,瓦斯透氣性好,錨桿孔中瓦斯容易積聚;同一條巷道中,由于巷道兩幫頂角部位受到應(yīng)力集中,巷道兩個(gè)頂角的應(yīng)力集中程度大,煤巖體比較破碎,煤層透氣性高,巷道開挖后,錨桿孔中瓦斯聚集速度非常快;沿煤層底板掘進(jìn)巷道,隨著巷道寬度的加大,頂板塑性區(qū)分布范圍大,煤體破壞范圍廣,錨桿孔中瓦斯容易聚集。

4 全長預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)防止鉆孔瓦斯積聚

按錨桿錨固長度,可將錨固方式分為端部錨固、加長錨固與全長錨固。對于端部錨固錨桿,錨固劑的作用在于提供黏結(jié)力,使錨桿能承受一定的拉力。對于全長錨固錨桿,錨固劑的作用主要有兩方面,一是將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結(jié)在一起,使錨桿隨著巖層移動承受拉力;二是當(dāng)巖層發(fā)生錯動時(shí),與桿體共同起抗剪作用,阻止巖層發(fā)生滑動。全長錨固錨桿與端部錨固錨桿的根本區(qū)別就在于端錨錨桿體受力對圍巖變形和離層不敏感,支護(hù)剛度低,全長錨固桿體受力對圍巖變形和離層很敏感,能及時(shí)抑制圍巖離層與滑動,支護(hù)剛度高。

全長預(yù)應(yīng)力錨固不同于傳統(tǒng)的全長錨固,其主要通過錨固劑的凝膠時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)的,具有端部錨固和全長錨固的優(yōu)點(diǎn),能夠在較長的錨桿桿體上施加預(yù)緊扭矩,錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果比較好,同時(shí)增加了對圍巖離層及錯動的敏感度。其實(shí)施方法為先對錨桿施加預(yù)應(yīng)力,錨固劑后固化,最終實(shí)現(xiàn)全長預(yù)應(yīng)力錨固。

針對端錨及加長錨固高瓦斯礦井鉆孔內(nèi)存在瓦斯積聚的問題,在余吾煤業(yè)公司 S2205工作面回風(fēng)巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。S2205回風(fēng)巷沿 3號煤層底板掘進(jìn),采用全長預(yù)應(yīng)力錨固錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)。錨桿錨固方式為樹脂全長錨固,采用4支低黏度樹脂藥卷,1支規(guī)格為 K2635,和 3支規(guī)格為M2660。鉆孔直徑為 30mm。錨索采用 1支K2635和 3支 M2660低黏度樹脂藥卷錨固后注漿實(shí)現(xiàn)全長錨固。巷道在掘進(jìn)及回采期間巷道變形量小,錨桿錨索受力整體上不大,巷道圍巖穩(wěn)定。

由于采用了全長預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng),錨桿與孔壁之間的間隙被錨固劑完全充填,錨桿與圍巖粘結(jié)成一整體,不僅支護(hù)效果良好,而且消除了高瓦斯礦井錨桿支護(hù)巷道中瓦斯罐的隱患。

5 結(jié)論

（1）在高瓦斯巷道中,采用端錨或加長錨使鉆孔中高濃度瓦斯混合氣體聚集并與巷道中新鮮空氣接觸,在諸如金屬與巖石撞擊或相互劇烈摩擦（其切削面的表面溫度往往能達(dá)到或超過 1400℃）等導(dǎo)致引火溫度達(dá)到瓦斯的點(diǎn)燃值,這時(shí)燃燒極有可能在瓦斯混合氣體和空氣的接觸面上發(fā)生。

（2）實(shí)測表明:沿底板掘進(jìn)巷道中,錨桿孔瓦斯?jié)舛绕毡橐哂谘仨敯寰蜻M(jìn)巷道 （瓦排巷除外）;在同一條錨桿支護(hù)巷道中,巷道沿底掘進(jìn)時(shí),頂板錨桿 （索）孔中瓦斯?jié)舛雀哂趦蓭屯咚節(jié)舛?而沿頂板掘進(jìn)時(shí),錨桿孔中瓦斯含量剛好相反,兩幫瓦斯?jié)舛雀哂陧敯濉?/p>

（3）同一巷道同一斷面條件下,兩幫頂角錨桿孔中瓦斯?jié)舛绕毡楦哂谄渌^桿孔。巷道錨桿鉆孔中的瓦斯?jié)舛绕毡楦哂谕咚贡ㄉ舷?最高濃度可達(dá) 98%,存在瓦斯燃燒重大隱患。

（4）大采高大斷面條件下巷道周圍圍巖應(yīng)力狀態(tài)差,圍巖破碎,有利于錨桿孔中瓦斯積聚,必須通過采用全長預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)消除錨桿錨索鉆孔內(nèi)瓦斯積聚的問題,減少安全隱患。

[1]康紅普,王金華 .煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[2]王德明 .礦井通風(fēng)與安全 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007.

Technology of PreventingMethane Accumulation in Bore-hole with Full-length Pre-stress Sturcture

WU Yong-zheng1,2,HE Jie1,2,GAO Lai-ju3
（1.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;2.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.China University ofMining&Technology（Beijing）,Beijing 100083,China）

In mine with high methane content,high-concentration methane would accumulate in boreholes for anchored bolt and anchored rope.Duringmining procedure,collision of every component of anchored bolt and anchored rope,or collision of anchored bolt head and head supportmay ignite methane in boreholes and result in disaster.Methane pot form mechanis m and methane combustion factors were analyzed;methane content in roadway supported by anchored boltwasmeasured and analyzed.Full-length pre-stress structure was introduced to preventmethane disaster and industrial testwasmade.The gap between bolt and boreholewas filled fully by anchored material if applying combined supporting system with full-length pre-stress structure,so the supporting effectwas excellent and hidden danger ofmethane potwas eliminated.

full-length pre-stress;methane accumulation;methane pot

TD712.54

A

1006-6225（2011）03-0128-04

2011-03-15

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 （2008BAB36B07）

吳擁政 （1978-）,男,河南修武人,碩士,工程師,從事巷道支護(hù)及礦壓的研究和推廣工作。

[責(zé)任編輯:王興庫 ]