金河煤礦綜放工作面錨網(wǎng)支護技術研究

【摘要】金河煤礦綜放開采工作面中平巷變形破壞比較嚴重，巷道維護工程量大，是制約工作面實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的主要因素之一。因此研究解決綜放工作面平巷支護問題對金河煤礦具有重要現(xiàn)實意義。本文通過對工作面平巷圍巖變形破壞的觀測，分析總結了金河煤礦綜放工作面平巷變形破壞的基本特征，對綜放工作面平巷錨網(wǎng)支護的主要參數(shù)進行分析研究，在此基礎上，提出了金河煤礦綜放工作面平巷的合理錨網(wǎng)支護方案，為工作面平巷支護方式及參數(shù)的合理確定提供了依據(jù)。

【關鍵詞】綜放工作面；平巷；錨網(wǎng)支護

1、金河煤礦綜放工作面平巷變形破壞特征

正確分析煤層開采時工作面巷道變形破壞特征和礦壓規(guī)律，對選擇和設計煤層的合理開采順序，確定正確的開采方法、頂板管理方法和巷道布置地點，以及正確選擇煤層的巷道保護方式和巷道支護方案有著極其重要的意義。2011年6～8月份，金河煤礦對16203工作面回風平巷進行了觀測?；仫L平巷觀測范圍為自工作面前方80m（目測巷道基本無變形）處至工作面拐點，運輸平巷實測范圍較大，觀測范圍自工作面前方117m（基本無采動影響）到工作面下出口后方30m采動基本穩(wěn)定處。本章主要根據(jù)16205作面平巷前期現(xiàn)場觀測資料，分析綜放工作面巷道圍巖變形破壞的基本特征。

1.1巷道基本條件

1.1.1工作面概況

本次觀測的對象為金河煤礦六采區(qū)的16203綜放開采工作面，16203工作面位于六采區(qū)南部，其北部為16201工作面（已采完），西部隔煤柱與16211工作面（已采完）相望，南部為16205工作面，東部為實體煤（尚未開采）。本工作面開采煤層為煤二層，煤層呈單斜構造，煤層傾角 5～15°、平均8°。煤層厚度13.5m～32m，平均厚度26.66m，呈東厚西薄特征，工作面走向長550m，傾斜長180m，面積99000m2，水文地質(zhì)條件簡單，煤層直接頂為泥巖、粉砂巖，灰、深灰色，小型斜層理發(fā)育，厚度 3.8m。

1.1.2測站布置

16203工作面巷道斷面形狀為矩形。巷道一般設置3～5個測站，測站間距大約50m，測站內(nèi)設置上述所有觀測內(nèi)容，儀器儀表的安設除離層儀和收斂觀測外其它均為頂部兩個兩幫各一個。

1.1.3各項觀測內(nèi)容的初步統(tǒng)計分析

通過對各測站觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、整理和分析，可初步得到如下幾點結論：

1、由于采動影響的范圍大，16203回風巷在距離工作面160m以外就開始變形，變形特征是頂?shù)變蓭途諗?，?shù)值接近，頂?shù)鬃冃温源?，變形的?guī)律是持續(xù)的勻速變形。

2、運輸平巷受采動影響的圍巖變形規(guī)律是在距離工作面50m范圍內(nèi)巷道加速變形，巷道變形明顯的區(qū)域為距離工作面50m以內(nèi)。變形特征是兩幫變形量大。巷道總體變形量不大，在8cm以內(nèi)。

1.1.416203綜放工作面平巷變形破壞基本規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場觀測，可以總結出16203綜放工作面平巷變形破壞基本規(guī)律和特征如下：

（1）回采巷道的采動影響范圍為工作面前方70～80m，明顯影響范圍為工作面前方30～40m；運輸巷道在工作面后方的變形明顯，影響范圍約為30m；

（2）巷道變形量大，體現(xiàn)出明顯的軟巖特性。工作面前方巷道變形量接近50cm；工作面后方累計巷道變形量高達115cm；

（3）頂?shù)缀蛢蓭鸵平冃味急容^明顯，體現(xiàn)了四周來壓收縮特性；

（4）巷道斷面變形不對稱。兩幫腳水平移近變形大，底板側頂?shù)滓平冃未螅装鍌鹊坠拿黠@。體現(xiàn)了大傾角煤層回采巷道變形的特點。

2、巷道支護方法、斷面形狀及支護參數(shù)和支護工藝的確定

2.1巷道支護方法確定

根據(jù)國內(nèi)外大量的理論研究和工程實踐證明，錨桿支護技術基本上能夠處理各種復雜的地質(zhì)和工程問題（包括有沖擊地壓煤層巷道的支護）且與架棚支護相比具有多方面的技術經(jīng)濟效益。因此，本礦地質(zhì)條件的煤巷首選錨桿支護。

2.2巷道斷面形狀的選擇

根據(jù)金河煤礦煤體裂隙發(fā)育且是全煤巷道的特征，采用錨桿支護時，按照擠壓加固拱原理設計較為合理。而加固拱理論最適宜的巷道斷面為不同形狀的拱形或圓形，針對金河煤礦全煤巷道的地質(zhì)和礦壓特征，采用半圓拱形巷道時，巷道承受礦壓沖擊的性能和圍巖的穩(wěn)定性易于得到保證。

2.3巷道支護參數(shù)的確定

針對金河煤礦目前開采的全煤巷道，由于采深較大，煤爆震動現(xiàn)象嚴重，圍巖裂隙發(fā)育穩(wěn)定性差，錨桿支護參數(shù)的確定一般采用以工程類比法為主的動態(tài)設計法，初步方案最終確定如下：

巷道頂幫均采用錨網(wǎng)（頂部能一次成形時采用錨梁網(wǎng)）支護，錨索補強加固。錨桿按矩形布置，一般條件下間排距700×700mm，留頂成形困難時，可縮小到600×650mm，圍巖較穩(wěn)定成形好時可放大到800～900mm，錨索按矩形布置于兩拱肩部，每排2根，排距2.4m，間距2.4。

頂幫錨桿選用同一規(guī)格φ22×2600mm的強螺紋鋼，錨桿配件采用穹形金屬托盤，半球墊、減摩墊、快裝螺母（幫上為加厚螺母）和木托板頂部用CK2350一支和Z2360二支樹脂藥卷錨固，幫用CK2350一支和Z2360二支錨固。錨索采用φ17.8×7000mm的鋼鉸線和300×300×80mm的木托板及200×200×16mm的鋼托板，用一支CK2350一支和二支Z2360樹脂藥卷加長錨固。護網(wǎng)采用10#鉛絲編織的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔30×30mm網(wǎng)的規(guī)格根據(jù)錨桿排距的確定。

2.4施工工藝方法及機具配套

巷道掘進采用三一重工EBZ-160型綜掘機。

頂板支護采用MQT-130C1型錨桿機，φ29mm鉆頭和B19×2.6m鉆桿打眼，采用快裝器實現(xiàn)頂錨桿的快速安裝和螺母的預緊。當錨桿機不能預緊到要求值（350N·m）時，再采用氣板機二次預緊。煤幫采用MQTB-80型幫錨桿機打眼安裝，鉆頭鉆桿與頂板相同，采用氣板機預緊。錨索采用頂錨桿機打眼安裝，φ27mm鉆頭，B19×7m組合鉆桿，配合QI19型錨索安裝器快速安裝，氣動錨索張拉機具完成預應力緊固。

2.5 16203工作面全煤巷道的成形和加固措施

隨著金河煤礦開采深度的不斷增加，煤巷掘進中的煤爆震動和沖擊對巷道成形和穩(wěn)定的危害越來越大?？刂七@種危害的途徑主要有兩個方面：一是改變煤巖體強度（如煤層注水），減弱掘進范圍和巷道圍巖中煤爆的強度或將煤爆震動轉入巷道圍巖的深部；二是采取降低圍巖中應力集中的成形和加固方法，避免強煤爆震動沖擊對巷道成形和穩(wěn)定的影響。

金河煤礦16203運輸巷掘進中，當煤體較軟時，煤爆震動處于圍巖深部，對巷道的成形和加固影響不大，但當煤體硬而脆時，煤爆震動，就在圍巖淺部，而且多數(shù)發(fā)生在正前方自由面上，給巷道成形和工人的安全造成很大的威脅。（例如巷道抽頂，飛出的煤塊傷人等）雖然施工中也采取過煤體注水等工藝，但由于煤體滲透性差效果不明顯。為了確保巷道的成形和穩(wěn)定，主要采取了以下的幾個防治措施：

1.小斷面掘進，減小煤巖暴露面積

2.及時有效加固，形成良性循環(huán)

3.優(yōu)化錨桿及配件的性能，增加支護體抗沖擊性能

2.6支護效果分析

16203回采工作面自2011年6月開始掘進，2012年3月貫通，5月開始回采，到目前已推采230米，切眼及上下順槽都沒發(fā)生大的變形，特別是上下順槽，經(jīng)過回采工作面的初次來壓和周期來壓的考驗，未見有明顯的破壞，無需維修就保證了回采工作的正常進行。

為了科學的驗證試驗巷道的維護效果，在運輸巷和切眼掘進期間共設了4個測站，對巷道表面收斂，深部位移、頂板離層和錨桿受力進行了觀測，并通過對觀測數(shù)據(jù)的整理分析可獲得如下幾點結論：

1.巷道圍巖變形量小，頂板下沉量在67～90mm之間，兩幫移近量在56～71mm之間，與金河煤礦其它全煤巷道比效果十分顯著。

2.頂幫錨桿受力一般不超過10KN，桿體處于彈性工作狀態(tài)，拱部個別錨桿最大受力達到169KN，桿體處于屈服狀態(tài)，但自從達到屈服點后只微增2KN而至今未破壞，說明該條件下錨桿按屈服受力設計能滿足巷道加固要求。

3.圍巖深部位移和頂板離層觀測表明，全煤巷道圍巖變形范圍較大，但變形主要來自于加固拱內(nèi)，而錨桿加固范圍內(nèi)又存在：煤幫為淺部大于深部；拱部為拱上大于拱下的規(guī)律。這也從一個側面證明了圍巖中擠壓加固拱的存在。

4.巷道開掘后前4～5天，無論是圍巖變形還是托錨力的變化都表現(xiàn)很劇烈，12～15天后都趨于穩(wěn)定。這比一般沿頂掘進巷道的穩(wěn)定期要長，這也是全煤巷道支護難度的原因。

2.7支護材料的進一步完善

為了保證支護系統(tǒng)的可靠性和安全性，在實施原設計方案的過程中，針對施工中出現(xiàn)的有些問題，對有些支護材料進行了一些調(diào)整。

1.樹脂錨固劑的調(diào)整

原設計頂錨桿采用S2350和Z2360各1支錨固，實際施工中發(fā)現(xiàn)，這種設計即無法達到全長錨固，也不能實現(xiàn)快速安裝。井下實測和理論計算證明：當采用φ29mm的鉆頭打眼時，軟煤鉆孔直徑大于31mm，對于φ22mm的螺紋鋼錨桿，按原設計的藥卷錨固長度最大為132cm。當采用接桿或鉆桿打眼，孔深大于錨桿加固所需深度10cm時，雙速藥卷超快段60%的填了超深的孔，故無法保證錨桿的快速安裝。根據(jù)上述情況，我們把頂錨桿的藥卷改為CK2350一支Z2363二支，這既保證了錨桿的快速安裝預緊，也能保證φ29mm鉆頭打眼時新鉆頭接近全長錨固，舊鉆頭完全的全長錨固。使用效果滿足了設計要求。

2.幫錨桿及其配件的調(diào)整

原設計兩幫采用φ20×2000mm的螺紋鋼錨桿，錨桿配件一般條件下沒要求用半球墊和減摩墊片，錨固劑也只用1支Z2360的。井下試驗初期16203工作面運輸巷8#～9#鉆場段，巷道網(wǎng)包大、變形大，還有部分錨桿錨索被破壞的現(xiàn)象，針對這一情況，我們進行了認真分析，并通過有關試驗和礦壓觀測進行驗證。分析認為，隨著開采深度的不斷增加，巷道側壓越來越大，巷幫的加固不但要平衡側壓，防止松動和片幫，還應為頂部的擠壓拱提供一個穩(wěn)固的支撐和防止平衡拱跨度的增加?；谏鲜龇治?，巷幫加固對錨桿的規(guī)格，錨固力和預緊力都有較高的要求。另外，還對不同規(guī)格錨桿和不同的配件時的預緊力進行了試驗，φ20mm螺紋鋼錨桿無球墊和減摩墊片，預緊扭矩300N·m時，預緊力僅為15～20KN，而φ20mm螺紋鋼錨桿有球墊和減摩墊片，預緊扭矩350N·m時的預緊力可達100KN以上，增加半球墊和減摩墊片預緊，樹脂藥卷改為CK2350和Z2360各1支或Z23602支。

調(diào)整后的支護取得了良好的效果，礦壓觀測表明，兩幫移近量僅為56～71mm，幫錨桿加固范圍內(nèi)的煤體松動僅為9～21mm，幫錨桿受力都小于100KN，也幾乎沒有錨桿被拉出或破壞的現(xiàn)象。

3、結論

通過對16203工作面掘進工作面礦壓觀測資料的整理分析和當前工作面正常推采證明：支護方案設計，防煤爆的成形方法及其施工工藝是合理的。巷道圍巖變形小，穩(wěn)定性好，所采用的錨桿、錨索及支護系統(tǒng)安全可靠，未見有破壞的現(xiàn)象。巷道整體維護效果良好，無需維修即可保證回采工作正常進行，可以在類似的全煤巷道中參考應用。