“三軟”特厚煤層巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)與實(shí)踐

李志鵬 李寧

摘 要：【目的】針對(duì)焦家寨煤礦特厚煤層完整性差、松散易冒頂?shù)韧怀鰡栴}，分析影響頂板冒漏的主要因素?！痉椒ā客ㄟ^現(xiàn)場(chǎng)煤層可錨性測(cè)試，確定了錨網(wǎng)支護(hù)的可行性；提出了長(zhǎng)短錨索層次控制技術(shù)，優(yōu)化了巷道支護(hù)方式；采用頂板超前“龍骨”預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效防止頂煤漏冒?！窘Y(jié)果】現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：頂板錨索受力穩(wěn)定，支護(hù)效果良好，防止了頂板冒漏現(xiàn)象。頂?shù)装遄畲笠平?56 mm，兩幫最大移近量82 mm，巷道變形量均在允許范圍內(nèi)?！窘Y(jié)論】本研究成功實(shí)現(xiàn)了“三軟”特厚煤層的錨網(wǎng)索應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三軟特厚煤層；超前預(yù)支護(hù)；松動(dòng)圈

中圖分類號(hào)：TD353? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）09-0069-05

Abstract： [Purposes] In view of the outstanding problems such as poor integrity of the extra-thick coal seam and loose roof falling in Jiaojiazhai Coal Mine， the main factors affecting roof leakage are analyzed.[Methods] The feasibility of bolt-net support is confirmed by the on-site test of coal seam anchoring; The layer control technology of long and short anchor cables is put forward to optimize the roadway support mode; The roof advanced "keel" pre-support structure is adopted to effectively prevent top coal leakage.[Findings] The field practice shows that the roof anchor cable has stable stress， good support effect and prevents roof leakage. The maximum displacement of the roof and floor is 156 mm， the maximum displacement of the two sides is 82mm， and the roadway deformation is within the allowable range. [Conclusions] The application of the anchor mesh cable in the "three soft" extra-thick coal seam has been successfully realized.

Keywords： three soft extra-thick coal seam; advance pre-support; loose ring

0 引言

隨著我國(guó)煤礦資源開采重心由東向西轉(zhuǎn)移，山西、內(nèi)蒙古等地區(qū)厚煤層的開采儲(chǔ)量逐漸達(dá)到全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的45%［1-2］。巷道是工作面高效開采的前提，巷道安全快速掘進(jìn)是煤礦高效穩(wěn)定生產(chǎn)的重要保障。煤層中普遍存在煤體本身強(qiáng)度低、松軟破碎，頂板破碎易冒漏等問題，尤其在特厚煤層中此類問題更為突出［3-6］。特厚煤層內(nèi)開掘巷道通常為全煤巷道，由于開采強(qiáng)度大、煤體強(qiáng)度低、巷道穩(wěn)定性差，掘進(jìn)速度和采掘銜接問題已經(jīng)成為制約礦井安全和高效開采的瓶頸［7-10］。因此，如何實(shí)現(xiàn)“三軟”特厚煤層內(nèi)巷道安全掘進(jìn)，保證正常采掘銜接對(duì)保障礦井安全高效開采具有重要意義。

許多學(xué)者對(duì)巷道錨網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作。王恩乾和劉小雄等［7-8］從地質(zhì)角度多方位研究巷道掘進(jìn)過程中的地質(zhì)異常區(qū)域，優(yōu)化該區(qū)域支護(hù)參數(shù)和工藝順序，實(shí)現(xiàn)了巷道的快速掘進(jìn)。付建華等［9］從松軟煤層的賦存特征和形成原因入手，提出了煤層錨固性能、錨桿預(yù)緊力和及時(shí)支護(hù)是實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的關(guān)鍵問題。支光輝等［10-11］針對(duì)松軟煤層掘進(jìn)過程中頂板漏冒問題，提出了掘進(jìn)迎頭預(yù)注漿治理技術(shù)。

既有研究成果從不同的角度出發(fā)，通過改變支護(hù)方式、優(yōu)化支護(hù)工藝等方面提高了巷道支護(hù)的穩(wěn)定性，但針對(duì)“三軟”特厚煤層地質(zhì)條件下的研究成果較少。本研究以焦家寨煤礦5#煤為工程背景，針對(duì)“三軟”特厚煤層頂板冒漏、支護(hù)困難等突出問題，深入分析影響掘進(jìn)速度的主要因素，開展“三軟”特厚煤層巷道錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)實(shí)踐。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程背景

焦家寨煤礦井田面積17 km2，采用走向長(zhǎng)壁式采煤法，采用放頂煤開采工藝，全垮落法管理頂板，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為150萬(wàn)t/a。5132工作面煤層厚度9.75～11.8 m，平均10.6 m，呈黑色，硬度較軟，硬度系數(shù)0.5，屬于典型的松軟煤層。掘進(jìn)過程中采用架棚支護(hù)，施工過程中勞動(dòng)強(qiáng)度大、工序復(fù)雜、支護(hù)效率低。同時(shí)，掘進(jìn)過程中還面臨著頂煤多次漏冒現(xiàn)象，巷道安全性差，巷道維護(hù)困難，難以滿足正常的采掘接替，已經(jīng)成為制約該礦高效率安全開采的主要瓶頸。

1.2 圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

巷道圍巖松動(dòng)圈采用CT-2型超聲波探測(cè)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在5132進(jìn)風(fēng)巷距離迎頭不同位置共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，5132進(jìn)風(fēng)巷實(shí)測(cè)圍巖波速范圍基本處于500～1 400 m/s，呈現(xiàn)波速低、起伏大、不規(guī)律性的特點(diǎn)，且波速值明顯低于煤層介質(zhì)的波速范圍1 700～2 800 m/s，表明測(cè)試范圍內(nèi)圍巖處于松動(dòng)破碎區(qū)，由此初步判定松動(dòng)圈范圍約為2.2 m。

1.3 影響巷道安全支護(hù)因素分析

1.3.1 煤質(zhì)松軟破碎。5132工作面煤層平均厚度10.6 m，硬度系數(shù)0.5，屬于松軟特厚煤層。巷道頂煤松軟破碎，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中頂板多次發(fā)生漏冒現(xiàn)象。

1.3.2 原支護(hù)工藝落后。原支護(hù)采用架棚支護(hù)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工序復(fù)雜，支護(hù)效率低，安全狀況差。

1.3.3 支護(hù)體系不完善。應(yīng)增加超前預(yù)支護(hù)工藝，避免掘進(jìn)割煤時(shí)頂板冒落。

2 巷道安全支護(hù)技術(shù)

2.1 煤層可錨性測(cè)試

為了提高支護(hù)效果，擬采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式替換原有的架棚支護(hù)，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試錨固強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。測(cè)試地點(diǎn)距離5132進(jìn)風(fēng)巷迎頭50 m，現(xiàn)場(chǎng)錨固劑型號(hào)為K2335，監(jiān)測(cè)對(duì)象為頂板和幫部的錨桿（索），并分別測(cè)試了干式打眼和濕式打眼對(duì)錨固強(qiáng)度的影響。測(cè)試結(jié)果如表1和圖2所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：濕式打孔時(shí)煤體黏結(jié)能力降低，錨固能力下降，因此干式打孔實(shí)測(cè)錨固力明顯高于濕式打孔。依據(jù)規(guī)范要求錨固長(zhǎng)度300 mm時(shí)錨固力要不小于100 kN，因此濕式打孔時(shí)錨固力均不滿足要求。干式打孔時(shí)僅有幫部錨桿1錨固力不達(dá)標(biāo)，分析其原因是現(xiàn)場(chǎng)錨固劑在攪拌過程中發(fā)生了“手套”效應(yīng)，其余錨桿和錨索錨固力均達(dá)到了規(guī)范要求。

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

通過現(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，5312進(jìn)風(fēng)巷圍巖松動(dòng)圈約為2.2 m，已經(jīng)超過普通錨桿的支護(hù)范圍，而加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度不利于現(xiàn)場(chǎng)錨桿的安裝和錨固?；诂F(xiàn)場(chǎng)錨索的錨固性能測(cè)試結(jié)果，錨索在松軟煤層內(nèi)具有良好的錨固效果，因此，可運(yùn)用頂板長(zhǎng)短錨索層次控制技術(shù)。

2.2.1 巷道頂板支護(hù)。短錨索使用Φ17.8×4 300 mm鋼絞線，采用1支MSK2335和2支MSZ2360樹脂藥卷錨固，間排距750 mm×800 mm，每排布置7根，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm的鋼托盤。長(zhǎng)錨索使用Φ18.9×7 300 mm鋼絞線，采用2支MSK2335和2支MSZ2360樹脂藥卷錨固，間排距1 600 mm×1 600 mm，每排布置3根，托盤規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm的蝶形鋼托盤。要求錨索預(yù)緊力不低于180 kN，錨固力不低于330 kN。W型鋼帶規(guī)格4 700 mm×280 mm×3 mm，錨索與W型鋼帶、Φ6 mm×50 mm×50 mm的鋼筋網(wǎng)和塑料雙抗網(wǎng)配合護(hù)表。鋼筋網(wǎng)必須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行搭接和聯(lián)網(wǎng)，搭接長(zhǎng)度不小于100 mm，搭接處每隔200 mm用14#雙股鐵絲捆扎，采用雙排扣聯(lián)網(wǎng)，且每排聯(lián)網(wǎng)間距均不超過200 mm。

2.2.2 兩幫支護(hù)。錨桿使用Φ22×2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，采用1支MSK2335和1支MSZ2360樹脂藥卷錨固，間排距800 mm×800 mm，托盤為150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤，配合400 mm×280 mm×3.75 mm的W型鋼護(hù)板。護(hù)網(wǎng)為50 mm ×50 mm的8號(hào)菱形金屬網(wǎng)。預(yù)緊力不小于65 kN，錨固力要求不低于127 kN。優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖3所示。<C：＼Users＼Administrator＼Desktop＼河南科技五上終版＼Image＼圖3a.png>

2.3 超前預(yù)支護(hù)工藝

為防止5312進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過程中頂煤大范圍冒落，設(shè)計(jì)在掘進(jìn)工作面迎頭打設(shè)密集長(zhǎng)鋼管作為超前“龍骨”預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼管規(guī)格Φ30×3 200 mm，可以滿足當(dāng)班掘進(jìn)3個(gè)循環(huán)，排距為300 mm，每排可布置15根鋼管，搭接距離800 mm。現(xiàn)場(chǎng)鋼管和頂板超前“龍骨”預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示，“龍骨”預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的一端由錨索、托盤和W型鋼帶預(yù)壓固定，另一端在實(shí)體煤內(nèi)，從而在頂板形成了穩(wěn)定的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，有效解決了破碎頂煤的漏冒問題，為巷道快速掘進(jìn)提供了安全保障。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)

3.1.1 巷道表面位移觀測(cè)分析。采用十字位移法監(jiān)測(cè)5132進(jìn)風(fēng)巷開挖后的巷道變形情況，如圖5所示。從圖5可以看出，巷道開挖5 d內(nèi)變形較為明顯，5～15 d變形呈緩慢上升，15 d以后圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。頂?shù)装遄畲笠平?56 mm，兩幫最大移近量82 mm，均在允許的變形范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明改進(jìn)的支護(hù)方式有效地提高了巷道的穩(wěn)定性。

3.1.2 巷道錨索應(yīng)力觀測(cè)分析。采用MCJ-60型錨桿（索）測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)巷道開挖后頂板錨索的受力情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，頂板長(zhǎng)短錨索受力變化趨勢(shì)較為一致，巷道開挖后10 d內(nèi)錨索受力增加較快，10 d以后逐漸趨于穩(wěn)定，表明頂板長(zhǎng)短錨索隨著巷道變形能夠達(dá)到協(xié)調(diào)同步受力，頂板處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.1.3 錨桿（索）錨固質(zhì)量檢測(cè)。為了檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)巷道支護(hù)體的錨固質(zhì)量，對(duì)巷道錨桿（索）錨固質(zhì)量進(jìn)行抽檢，抽檢結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明：5132進(jìn)風(fēng)巷錨桿（索）錨固質(zhì)量合格率達(dá)到了98.8%，優(yōu)化后的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案錨固效果良好，巷道支護(hù)施工質(zhì)量能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

5132進(jìn)風(fēng)巷架棚支護(hù)時(shí)采用11#工字鋼對(duì)焊棚進(jìn)行支護(hù)，棚梁長(zhǎng)3.6 m，棚腿長(zhǎng)3.2 m，棚距0.6 m，鋪設(shè)鐵絲菱形網(wǎng)。將原架棚支護(hù)方式和改進(jìn)后的錨網(wǎng)索支護(hù)方式的支護(hù)材料成本進(jìn)行對(duì)比分析見表2。5132進(jìn)風(fēng)巷架棚支護(hù)時(shí)每米巷道支護(hù)材料費(fèi)用約6 205元，改進(jìn)后的錨網(wǎng)索支護(hù)方式每米巷道支護(hù)材料費(fèi)用約2 346元，較架棚支護(hù)材料成本降低了62%。

4 結(jié)論

以焦家寨松軟特厚煤層為工程背景，針對(duì)5312進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過程中多次出現(xiàn)頂煤漏冒、巷道維護(hù)困難、采掘接替緊張等突出問題，從改變巷道支護(hù)方式、改進(jìn)支護(hù)工藝等多個(gè)角度展開研究。具體研究結(jié)論如下。

①分析影響5312進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)困難的主要因素，包括煤質(zhì)松軟破碎、原支護(hù)工藝落后、支護(hù)體系不完善等。

②研究松軟特厚煤層的可錨性，替換原架棚支護(hù)，實(shí)現(xiàn)松軟特厚煤層錨網(wǎng)索支護(hù)可行性的技術(shù)突破，提出頂板長(zhǎng)短錨索層次控制技術(shù)體系，并制定相應(yīng)的支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果良好，錨桿（索）錨固質(zhì)量檢測(cè)合格率達(dá)到了98.8%，保證巷道的安全穩(wěn)定。

③構(gòu)建頂板超前密集長(zhǎng)鋼管“龍骨”預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了“龍骨”長(zhǎng)度，成功解決了頂煤松軟破碎、易冒漏的關(guān)鍵問題。

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