浅谈煤巷锚网支护应用与探索

1浅谈矿井煤巷锚网支护应用与探索摘要:本文通过借鉴锚网支护原理，对照八一井地质构造现状，确定煤巷锚网支护技术参数，阐述了锚网支护支护结构和工艺，针对矿井不同阶段煤巷锚网支护实践，与架棚支护进行了安全、经济效果验证与比较，总结出锚网支护操作工艺技术要点，可为类似工程借鉴。关键词:煤巷；锚网;支护;应用;探索1.概况矿井于1977年投产，设计井型30万吨/年，2010年核定生产能力30万吨/年.矿井斜井开拓，采用走向长壁后退式采煤方法，全部陷落法顶板管理，主要开采二煤层和四煤层，采用联合布置开采。矿井开拓、准备巷道布置在四煤底板，1/3圆弧拱形断面,采用锚网喷联合支护或架可申缩U形钢棚支护；回采巷道一般为梯形断面，采用矿用11#工字钢棚支护。煤巷（半煤巷）锚网支护是一种较为先进的煤巷支护形式，是煤矿回采巷道传统支护形式重大的技术突破，也是降低煤炭生产成本、提高企业经济效益的新举措。2．锚杆支护的工作原理2.1悬吊理论：锚杆支护的作用就是用锚杆将巷道的直接顶板吊挂于其上的坚固老顶上,或者将巷道周围松动的岩块连结在松动区外的完整坚固岩体上,使松动岩块不致冒落。2.2组合梁理论：如果顶板岩层中存在若干分层,在没有稳固岩层的薄层状岩层中，锚杆将薄层岩层锚固成一个岩石板块的，提高顶板的承受能力。2.3压缩拱理论：在块状围岩中，锚杆可将巷道周围的危石彼此挤紧，对围岩起到挤压加固的作用，在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不仅能维持自身稳定，而且能阻止其上部围岩松动和变形的加固拱，从而能保持巷道的稳定性。2.4减小跨度作用：巷道顶板打了锚，相当于在该处打了顶柱，减小了顶板跨度，从而增强了顶板的稳定性，使岩石不易变形和破坏。2.5围岩补强作用：巷道围岩深部的岩石处于三向受力状态。靠近巷道周围的岩石则处于二向受力状态，故易于破坏而丧失稳定性。巷道周围安装锚后，有2些岩石以恢复了三向受力状态，增大了它本身的强度。树脂锚杆为端头锚固型，即用树脂为粘结剂，在固化剂和加速剂的作用下，将锚杆的端头与孔壁岩石粘结在一起，待凝胶达到很高的强度时，在另一端加上垫板拧紧螺帽，锚杆通过锚头和垫板对围岩产生了压应力，改善了围岩的受力状况，使之处于三向应力状态，从而使围岩强度得到提高，起到加固围岩，防止其移动，达到稳定支承之目的。3.煤巷支护参数设计3.1地质概况3.1.1四煤层地质情况四煤层，单一结构，赋存较稳定，厚度一般在2.1m左右，直接顶为砂质泥岩，厚2.8m，坚固性普氏系数为5，直接底为砂质泥岩,厚3.6m，坚固性普氏系数为5.5，四煤层顶底板情况表：煤岩顶板底板情况顶底板名称岩石名称厚度（m）岩性特征老顶粗沙岩3.75灰色粗沙岩，硅质胶结，致密坚硬。直接顶砂质泥岩4.03灰黑色，含砂量低，夹菱铁质结核，含较多植物化石碎片伪顶无直接底砂质泥岩2.1灰黑色，夹菱铁质结核，含植物根部化石碎屑。老底砂质泥岩4.0灰黑色，夹菱铁质结核，石英细脉。3.1.2二煤层地质情况二煤层，复杂结构，厚度一般在1.75m左右，直接顶为页岩和砂质泥岩，厚度分别为2.33m和4.38m，产状变化大，坚固性普氏系数为5，直接底为付二煤和砂质泥岩，厚度分别为1.09m和2.15m，坚固性普氏系数分别为2.5和4.5，二煤层顶底板情况表3煤岩顶板底板情况顶底板名称岩石名称厚度（m）岩性特征老顶粗沙岩1.6灰色粗沙岩，节理发育，夹菱铁矿结核。直接顶砂质泥岩6.87砂质泥岩,厚度米，深灰色，菱铁矿结核及不规则煤线，局部夹薄层细砂岩。伪顶无直接底砂质泥岩1.0黑色炭质页岩，夹煤纹、老底深灰色5.2含植物化石，偶含薄层细砂岩3.2锚网支护技术参数根据矿开采技术水平,当前矿井煤巷及半煤巷断面一般为不规则四梯形或矩形巷道,作业规程将根据以下方法计算确定锚网支护材料。3.2.1按加固拱原理确定锚杆参数：锚杆长度L=N（1.1﹢10W）=1×（1.1﹢104.2）=1.34（m）锚杆间距D≤0.6L；D≤0.804（m）锚杆直径d=1101L=12.18(mm)式中：W——巷道或硐室跨度，米；N——围岩稳定影响系数，规定如下：Ⅱ类（稳定性较好）围岩，N=0.9；Ⅲ类（中等稳定）围岩，N=1.0；Ⅳ类（稳定性较差）围岩，N=1.1；Ⅴ类（不稳定）围岩，N=1.2。本巷道所掘地点为Ⅲ类围岩，这里取1.0。3.2.2按巷道围岩破坏范围的计算(1)煤巷两帮煤体受压破坏深度。C=Htan(45-φ/2)式中:c——煤体受压破坏深度,m;H——巷道高度,m;φ——煤的内摩擦角,φ=arctan(f)=45°,f=1。4(2)巷道顶板潜在的冒落拱高。b1=a1/u(a+c)/(Rc/1000)式中:b1——巷道顶板潜在的冒落拱高,m;a——承受弯曲的悬臂岩层的半跨距,m;Rc——巷道顶板岩石的抗压强度,N/cm2。(3)顶板压力。Q=4a1b1r1/3=4(a+c)b1r1/3(4)两帮煤体倾向压力。Q′=(2b1r1/γ+H)/2Htan2(45-φ/2)式中:γ为煤的体积重量,kN/m3。综合以上计算,合矿井煤层顶底板情况,矿井锚网材料确定：金属树脂锚杆，φ16mm×2000mm的左旋螺纹钢；树脂药卷，规格φ35mm×400mm，每眼上两支药卷；冷拉钢丝网0.9m×1.7mm，网格为90mm×90mm；锚索采用低延伸率钢绞线,直径15.24mm,由7根直径5mm钢丝组成,强度级虽1860MPa,破坏负荷不低于260kN。托板直径120mm、厚10mm熟钢圆托盘,上加300mm×200mm×30mm的木托板。每根顶锚杆配备1块直径120mm、厚10mm熟钢圆托盘,每根帮锚杆配备1块300mm×200mm×30mm的木托板和1块与顶锚杆相同的熟钢圆托盘。3.2.3技术要求(1)锚杆支护作用原理及受力状态的复杂性,给锚杆支护参数的解析计算带来很大困难。在实践中可根据围岩松动圈理论,以悬吊作用设计为基础,并根据岩性的具体情况,定出合适的支护密度,最后通过试验检测,检验支护参数选择的合理性（八一井支护密度：锚杆排、间距一般800mm×800mm）。(2)在施工中必须检验锚杆安装质量。锚杆的安装方向要垂直于岩层面或巷5道周边,与岩层面切线或周边的夹角要80°。托板应紧贴岩面,螺帽拧紧,锁紧力应达到锚固力的40%～80%,锚杆采用间排距为800mm×800mm正方形布置。锚杆外露长度不超过50mm。使用锚杆拉力计（20T）,每班动态抽查锚杆的锚固力，锚杆外露长度1～5cm，锚杆锚固力岩层中不小于80kN。煤层中不小于60kN，螺帽扭力矩，岩层中不小于12kg.m，煤层中不小于7kg.m。。在普及应用全长树脂锚杆的基础上,针对开拓巷道、大断面峒室及压力大服务年限长的井巷,应考虑增大螺纹钢锚杆直径与长度,同时加锚索支护。(3)在岩巷施工过程中采用顶板离层仪（LBY-3型）对岩体进行动态监测,以便对支护设计和使用效果作出评价,根据实测数据随时调整支护参数。通过对锚杆锚固力的测试、巷道围岩收敛变形测试、围岩松动圈测试等内容,对完善锚喷支护理论,指导生产实践具有重要的意义。⑷金属网的使用。挂设金属网时,金属网紧贴岩面或喷层面,两网之间搭接长度≥100mm,并且使用金属拉条和锚杆固定,保证网片的牢固性和平整性,初喷时能覆盖网片为宜,使其受力均匀。⑸岩巷锚网支护不得超过0.8米,煤巷锚网支护紧跟工作面挡头。树脂锚固钢筋锚杆采用内端头锚固方法，若岩体结构较松散，岩体节理裂隙发育，则根据具体情况选择半长或全长锚固。4.0矿井采煤巷道锚网支护效果4.1矿井推广应用地点上2221风巷、上2222风巷、上2224机巷、上2224风巷。4.2效果分析按照作业规程支护标准,根据我矿回采巷道锚网支护(不规则梯形断面或矩形断面支护材料成本约287.5元/米)与架棚支护(梯形断面使用11#工字钢棚材料成本约305元/米)费用比较得知,锚棚支护超过架棚支护17.5元/米(工字钢棚按每根使用5次计算)煤巷锚网支护效果分析表6时间推广地点支护长度(米)重复支护费用架棚重复修理费用(按成本10%)与架棚比节约费用(元)效果评价工程量费用(元)2010年2～10月上2221风巷270补锚网40米，巷道卧底65米3500+2000=450082358460较好2011年1～8月上2222风巷285修理巷道卧底75米2500869011178优2012年4～10月上2224机巷290架棚支护150米457508850-31825较差2012年6～12月上2224风巷180架棚支护70米245005500-15850较差从表中分析,上2221风巷与上2222风巷工程布置时,因巷道属采区新投产工作面,周围无动态地压影响,巷道锚网支护变形小,工程完成后,顶板结构保持较好,部分巷道通过进行卧底及补锚网修理,经验收合格后能安全投入使用,材料消耗费用降低,具有较好的经济效果和安全效果。上2224机、风巷工程范围内地质条件复杂，底板四煤已采空，又受采区采支压力影响，工程进过程中，锚网支护因围岩压力影响巷道变形大，支护破坏严重，从顶板安全角度出发，修理时只有采用架棚支护。因此，不但支护材料费用增高，而且生产过程中顶板管理难度大，直接影响到矿井安全生产。5.推广应用中的几点思考5.1锚杆安装的质量(1)炮掘工作面应推广煤巷光爆技术,充分利用手持式风动钻机钻头直径小和炸药小药卷技术,通过合理调整眼位和药量,尽量减少爆破作业对煤巷两帮的破坏,保证煤岩的完整性。(2)严格按设计要求的角度、间排距钻设锚杆(锚索)孔,落煤后及时组织人员敲好顶帮,由当班验收员按设计要求定位标记锚杆(索)眼位,同时在钻杆上做标记,保证打眼深度,跟踪监督检查锚杆(索)的安装,确保锚杆(索)的安装质量。(3)施工打眼时要严格按标记深度钻眼,锚杆眼的深度应小于锚杆长度50mm,误差不超过10mm,以利于锚杆安装后托板贴紧煤壁。(4)锚杆(索)的安装必须按要求进行,锚固剂、锚杆、锚索、托盘和螺母等性7能强度、结构必须与设计锚固力相匹配,各种材料入井必须有产品合格证。巷道顶帮锚杆的方向、位置和密度必须符合设计要求,托板和护板必须贴紧顶板和煤壁,不得松动,接触面积达到80%以上。出现顶帮锚杆不接顶铁帮时,要重新补打锚杆。网要展开铺平,贴紧顶板和煤帮,用锚杆托板压紧。螺母的拧紧力矩不小于100N•m。锚杆、锚索安装前,必须要压风将孔内煤岩粉、水等吹洗干净。锚杆端部必须推至眼底,尾部外露长度不小于50mm。(5)锚杆安装,必须按作业规程规定的施工操作程序进行,先装快速药卷,再装慢速药卷,用锚杆将药卷送至孔底后,用搅拌装置边搅拌,边用力迅速向孔底推进锚杆),待药卷得到充分搅拌后停机,搅拌时间为30s,搅拌要连续进行,中途不得停顿。锚杆搅拌后上托盘,1h后二次预紧,锚索搅拌凝固1h后上托盘张拉。其预紧力必须达到设计要求,托盘要紧贴岩面。5.2加强顶板观测,确保支护效果(1)锚网索支护巷道按设计要求每隔50m布设1个观测点,断层及围岩破碎带、应力集中区、交岔点等特殊地点加设观测点,顶板离层仪安设在巷道顶板,巷道断面中部,深基点固定在顶板上方7m处,浅基点固定在顶板上方3m处。(2)顶板离层仪由施工段段长负责及时跟头安装(安装离层仪时距前头距离:炮掘≤10m)。(3)观测点实行挂牌管理,牌板上写明观测点号、安装人员、安装日期和初始数据,并指定专人负责观测数据,填写原始记录,建立观测档案。(4)观测人员每天及时上报观测数据。(5)技术部门要及时对收集的观测数据进行认真分析,从中总结顶板变化的规律性,对观测数据异常点要进行现场调查,若现场确定该处巷道顶板活动异常威胁安全生产时,立即上报主管领导采取相应措施。5.3锚网支护巷道顶板事故预防(1)井下作业人员随时观察巷道顶板及煤壁活动情况,一旦发现顶板异常,出现顶板事故预兆要及时向井值班人员汇报并采取相应措施,杜绝事故发生。(2)顶板出现局部离层掉渣、顶锚杆断裂时,及时处理网兜、补打锚杆,确保8复合顶板的完整性,尽量减少顶板离层的发展。(3)巷道出现两帮收敛、顶板下沉、网及钢带折叠现象时