锚杆支护技术在高含水期综采工作面的应用

锚杆支护技术在高含水期综采工作面的应用

近年来，我国长距离道路桥梁维护技术有所增加，并在一定程度上取得了成果。晋城矿区的锚杆支护主要应用于煤巷、大断面、构造区域、软煤区和巷道交岔点等，但在XV号煤坚强顶板条件下还不曾应用。2008年，由长平公司与北京天地公司共同研究试验的“锚·索·带·网”联合支护技术，首次在XV号煤坚强顶板条件下得到了成功应用，为XV号煤层后期回采的坚强顶板处理奠定了基础。1xv号煤层特性王台矿井开采的XV号煤层为三水平煤层，煤层倾角为1°～6°，平均厚度2.5m，煤层中部含1～3层夹矸。XV号煤层伪顶为泥岩或炭质泥岩，平均厚度0.3m，平均抗压强度为25MPa左右。该伪顶厚度极不稳定，暴露于空气中易风化。直接顶为K1石灰岩，从巷道揭露情况看，其在浅部岩性变化较大，局部地段相变为泥岩、砂质泥岩或砂岩，平均厚度9.32m，致密坚硬，节理裂隙较发育，单向抗压强度平均127.57MPa，单向抗拉强度平均7.56MPa；抗剪强度平均16.11MPa，属坚硬性顶板；底板为泥岩和铝质泥岩，平均厚度为1.62m，底板比压40.82MPa，吸水性强，遇水极易膨胀。XV号煤层最大、最小水平主应力分别为7.90.5MPa和7.13MPa，且最大水平主应力方向为北偏西。XV号煤帮强度在上部抗压强度较大，煤层较硬，中间部分煤层抗压强度较小，煤层较软，煤帮强度随帮孔深增加而有所增加，煤帮表面煤体易风化片帮。XV号煤顶板完整性较好，在岩层与岩层交界面处基本无离层现象，局部岩层有节理、裂隙等小构造，主要构造是一组走向呈近南北向的宽缓褶皱构造，对煤层破坏程度较小；XV号煤层主要充水因素为煤层上覆K2、K5含水层水及上覆III号和IX号煤采空区低洼积水，预计最大涌水量0.17m3/min。本井田内XV号煤层采用走向长壁一次采全高后退式综合机械化采煤法进行回采，综采工作面设计倾斜长度为180m，走向长为1000m～1800m，工作面采用“三巷”布置形式，“两进一回”通风方式。2高强度锚杆和锚索联合支护系统王台矿井在IX号煤层巷道曾先后应用过单体低锚固力锚杆支护或锚喷联合支护及高强度锚杆和锚索联合支护系统，其中在早期的低锚固力锚杆支护系统中主要采用d16mm×1600mm树脂锚杆或d45mm×1600mm管缝锚杆进行支护，设计锚杆间排距为600mm～800mm，锚固力为40kN。但由于早期锚杆支护设计理论的不成熟和监测手段的局限性，支护效果不太理想，曾发生过几起程度不同的小型冒顶事故。2001年我们与北京天地公司以及晋煤集团技术中心合作，在IX号煤西翼北部Ⅸ2340工作面回风顺槽进行了高强度锚杆和锚索联合支护的研究试验，试验区段巷道为矩形，净宽3.2m，净高2.3m，试验区段长度为1100m。试验区段巷道在掘进及工作面回采时的矿压观测表明，巷道在掘进和回采期的顶板下沉量、两帮移近量以及锚杆受力状况均在巷道围岩的弹性变形释放范围内，高强度锚杆和锚索联合支护系统能有效控制IX号煤顶板变形及处于锚固范围外软岩层的破坏和岩层交界面处的离层。该支护系统完全适应于IX号煤层赋存条件，随后高强度锚杆和锚索联合支护技术在IX号煤准备和回采巷道、巷道交岔点及构造带等均得到了广泛应用。3支护方案确定参照IX号煤层高强度锚杆和锚索联合支护试验成功的经验，我们采用了包括试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测和信息反馈、修正设计和日常监测的动态信息设计方法，根据XV号煤围岩参数、XV号煤地质条件和工作面液压支架等设备尺寸，并综合考虑设备安装、通风、巷道围岩变形预留量等情况，确定出了XV号煤坚硬顶板条件的巷道支护初始设计，经过XV号煤首采工作面现场试验、日常监测并结合巷道揭露情况，对初始设计进行了修正和优化，形成了适合XV号煤坚硬顶板条件的切实可行、经济合理的支护方式，其具体支护方案为：顺槽和切眼断面形状均为矩形，其中顺槽巷净宽4.4m，净高2.5m；切眼净宽6.8m，净高2.5m。其支护均采用“树脂加长锚固锚杆组合支护系统，并进行锚索补强”的总体支护方案。顺槽巷锚杆支护设计参数见表1，工作面切眼锚杆支护设计参数见表2，顺槽支护断面见图1，切眼支护断面见图2。4做好锚杆支护质量“终身负责制”工作面迎头及时安设顶板离层指示仪，保证巷道每30m～50m安设一个，动态监测已掘巷道内顶板深部和浅部离层值，一旦出现离层值超过20mm要采取补打锚索、套单体柱混合棚等加强支护措施，确保巷道施工安全。对已掘巷道在机组转载机后中部位置每10m打一根d200mm×2600mm的红松圆木作为信号柱，防止顶板出现大范围离层和局部冒顶。实行锚杆支护质量“终身负责制”，对每班所施工顶帮锚杆和锚索进行编号，发现质量问题逐级落实到班组和个人。同时，为了保证施工质量，每班按不小于10%的比例对锚杆锚固力和预紧力矩进行抽检，发现不合格锚杆，必须在当班处理合格。定期进行井下锚杆锚固力拉拔试验，每次数量不少于3根。如果发现锚杆实际锚固力与设计值相差较大，须对锚固参数进行调整和修改。巷道内除安设顶板离层指示仪外，另外再设置至少2个综合监测站，对巷道表面位移、锚杆受力以及巷道破坏状况进行详细的观测。5锚杆支护参数优选从对已掘巷道所安设的顶板离层仪及综合测站矿压观测结果看，采用“锚·索·带”联合支护的XV号煤巷道其在掘进和回采期内顶板离层值均小于10mm，在安全范围之内，完全符合设计要求，说明高强度锚杆与锚索联合支护设计方案参数选择合理，能够有效改善围岩力学性质，控制巷道在掘进、回采以及相邻工作面回采动压影响时围岩变形量，为XV号煤坚硬顶板条件下含隐性节理裂隙等构造巷道锚杆支护提供了有效途径，积累了技术经验。6效率分析王台矿区XV号煤层坚强顶板条件下高强度锚杆和锚索联合支护的成功应用，其经济效益和社会效益都十分显著。6.1节约支护成本(1）高强度锚杆和锚索联合支护的成功应用，降低了巷道的支护成本费用。根据以往经验，在综合考虑巷道维护费用、初期投入及后期复用、材料加工、辅助运输等因素，采用高强度锚杆和锚索联合支护比金属棚支护巷道节约支护成本费用约244.748元/m。高强度锚杆和锚索联合支护技术试验获得成功后，可将该支护技术应用在XV号煤其他巷道中，若按每年XV号煤10000m掘进进尺计算，则每年可减少支护成本费用244.748万元。(2）采用“锚·索·带”支护的工作面，简化了工作面安装和后期回采端头端尾工序，有利于综采工作面的快速推进和实现高产高效。6.2高强锚杆和锚索联合支护技术的优点(1）高强度锚杆和锚索联合支护技术在王台矿井XV号煤坚硬顶板条件下的成功应用，填补了集团公司XV号煤巷道锚杆支护技术的一项空白，为XV号煤的大断面和交岔点巷道支护提供了经验，有利于巷道顶板管理，具有极大的示范作用和推广应用价值。(2)XV号煤层坚硬顶板高强度锚杆和锚索联合支护技术有效提高了巷道围岩自身的承载能力，变被动支护为主动支护，能有效地控制围岩的变形，特别是能减少顶板早期离层，改善了锚杆支护效果，减少了后期巷道维护量，提高了巷道的安全可靠性。(3）高强度锚杆和锚索联合支护技术实观了锚杆支护、搅拌、安装一体化流水作业，减轻了工人劳动强度，改善了工人作业环镜，为后期采用“双巷”掘进和“掘支一体化”施工工艺创造了较为有利的外部条件。(4）采用高强度锚杆和锚索联合支护的巷道可利用空间明显增大，减小了通风阻力，有利于工作面的配风，既可以防止局部瓦斯聚集