大直径锚索在大断面煤巷的应用

大直径锚索在大断面煤巷的应用技术摘要：通过对孙家沟煤矿13#煤煤层特征和13309工作面切巷大断面支护参数进行了阐述，并对大断面支护强度进行了理论分析，并根据根据13306、13307工作面切巷成功经验及科学数据进行分析，得出孙家沟煤矿13309工作面大断面切巷支护参数强完全满足支护强度，大断面煤巷支护参数是可行的。关键词：大断面；煤巷；支护参数、支护强度；可行；一、地质概况山西世德算家沟煤矿位于山西河东煤田保德县境内，井田呈一不规则多边形，井田东西长约3.42km，南北宽约3.25km，井田面积8.844km2，开采标高从1100m至580m，开采1-13号煤层，生产规模为120万t/a。13#煤层总体为由东向西倾伏的单斜构造，其上发育次一级褶曲构造。煤层倾角4°～8°，平均6°。13#煤位于L2灰岩下19m左右，上距11号煤层14m左右，下距15号煤层23m左右。煤厚最大15.45m，最小7.35m，平均13.05m。煤层结构复杂，含夹石1～4层，夹石厚度多数在0.30～0.50m之间，岩性为泥岩或炭质泥岩，顶板底板均为泥岩或砂质泥岩。煤层可采性指数Km=1.00，煤厚变异系数γ=20.20%，属全区稳定可采的特厚煤层。13号煤层等厚线图如图1-1-1所示。工作面内地质构造不太发育，巷道掘进中未揭露断层及其他地质构造13号煤层有爆炸危险性；13号煤层属自燃，自燃等级为1级13#煤层顶、底板情况：顶板以泥岩、砂质泥岩为主，其次细砂岩，厚1.10～15.60m。岩石力学测试：单向抗压强度最小18.30MPa，最大37.80MPa，平均26.50MPa，抗拉强度最小1.30MPa，最大1.85MPa，平均1.48MPa，抗剪强度最小2.34MPa，最大4.20MPa，平均3.27MPa，普氏硬度系数平均2.70，属中硬岩石，稳定性中等；底板岩性为砂质泥岩，其次砂岩，厚0.50~6.84m，岩石力学测试：单向抗压强度最小15.50MPa，最大49.60MPa，平均36.05MPa，抗拉强度最小0.94MPa，最大2.40MPa，平均1.73MPa，抗剪强度最小1.22MPa，最大2.15MPa，平均1.67MPa，普氏硬度系数平均4.70，属中硬岩石，稳定性中等。二、大断面煤巷支护参数13309工作面位于井田的北部，工作面顺槽走向长度为1627米，采长为200米，煤厚在15.18-13.99米，平均为14.59米，容重为1.42t/m³。大断面切巷位于工作面北部，四周均为实体煤，切巷采用EBZ-160综掘机施工由西向东，由下向上施工，沿煤层底板掘进，采用一次成巷工艺。13309切巷正常段毛宽9.6米，毛高3.8米，净宽9.4米，净高3.5米。顶板支护采用锚杆+锚索+W钢带（两块4.5米+5.0米）+金属网联合支护，每排布置7根顶锚杆，3根锚索，锚索的间距为2.88米，排距为1.0米，其他锚杆按钢带眼布置；两帮分别布置3排帮锚杆，靠工作面侧采用玻璃钢锚杆+木托板+尼龙网支护，间距为0.9米，靠采空区侧采用螺纹钢锚杆+铁垫片+金属网支护，帮锚杆的间距为0.9米，排距均为1.0米。切巷机窝段毛宽11.2米，毛高4.0米，净宽11.0米，净高3.8米。顶板支护采用锚杆+锚索+W钢带（两块6.0米+5.0米）+金属网联合支护，每排布置8根顶锚杆，4根锚索，锚索的间距为2.88米，排距为1.0米，其他锚杆按钢带眼布置；两帮分别布置3排帮锚杆，靠工作面侧采用玻璃钢锚杆+木托板+尼龙网支护，间距为0.9米，靠采空区侧采用螺纹钢锚杆+铁垫片+金属网支护，帮锚杆的间距为0.9米，排距均为1.0米。附支护材料明细表1名称型号材质备注锚索Φ21.6*12000mm1860级锚索垫片240*220*80mm铸铁垫片W钢带4500*220*45眼，眼距1.05米W钢带5000*220*46眼，眼距0.96米W钢带6000*220*47眼眼距0.94米顶锚杆Φ20*2400mm螺纹钢帮锚杆Φ20*2400mm螺纹钢帮锚杆Φ18*2000mm玻璃钢铁垫片200*200*8mm球形垫片100*100*10mm金属网1100*6000mm经纬网木托板350*250*50mm树脂药卷MSCKa23/60帮锚杆树脂药卷MSCKa23/80顶锚杆树脂药卷MSCKa23/120锚索（附支护断面图1）三、施工工艺及技术要求1、掘进时，巷道沿煤层底板布置，一次成巷。施工时先割一半，支护完后，再施工另外一半，掘进循环进度为1.0米，最大控顶距为1.5米，最小0.5米，即“一掘一锚”。施工50米开始在距煤头30处（综掘机跑道）巷道正中支设一根信号住（Φ20*3800mm木柱），排距为3.0米。2、锚固力：顶锚杆不小于7t；帮锚杆不小于5t；扭力矩：顶锚杆150N·m以上；帮锚杆120N·m以上；锚索眼深：11.6m。锚固段长度为1.2m，张拉端长度为200mm。锚索预紧力：250KN以上，钢绞线外露长度为150-250mm。3、锚索施工顺序：锚杆钻机打眼→上药卷→用钢绞线搅拌药卷→上垫片及锚具→用千斤顶张拉预紧。4、锚索锚固段必须伸入岩层1.5米以上，否则加长锚索。四、支护参数的校核1、顶锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮体作用，达到支护效果的条件，应满足：L≥L1+L2+L3式中：L——锚杆总长度m；L1——锚杆外露长度m；（包括钢带、垫片、螺母厚度）；顶锚杆取0.1，帮锚杆取0.14L2——有效长度（顶锚杆取围岩松动圈冒落高度b，帮锚杆取帮破碎深度c）L3——锚入岩（煤）层内深度m；取0.8其中围岩松动圈冒落高度b=[B/2+Htan（45°-ω/2）]/f顶c=Htan（45°-ω/2）式中：B、H—巷道掘进毛宽、毛高m；B取4.8H取3.8顶f——顶板岩石普氏系数；13#煤层普氏系数取2.9ω——两帮围岩的似内摩擦角，ω=)arctan(顶fω=71.1°b=[4.8/2+3.8tan（45°-71.1°/2）]/2.9=1.04c=3.8tan（45°-71.1°/2）=0.62顶锚杆L=L1+L2+L3=0.1+1.04+0.8=1.94所选顶锚杆2.4m≥1.94m符合设计要求。帮锚杆L=L1+L2+L3=0.14+0.62+0.8=1.56所选帮锚杆2.0m≥1.56符合设计要求。2、校核锚杆间、排距；应满足arkLG2式中：a——锚杆间、排距，m；G——锚杆设计锚固力，KN/根；取70K——安全系数，一般取2；L2——有效长度(顶锚杆取b)；r——岩体容重（KN/m3）；取15切巷顶锚杆：rkLG2=1.49；顶锚杆间排距设计均符合设计要求。切巷帮锚杆：2GkLr=1.93；帮锚杆间排距设计均符合设计要求。3、按“组合梁”悬吊理论校核锚索的间距：根据地质钻孔柱状分析，直接顶为泥岩无坚硬岩层，为防止巷道顶板煤、岩层发生大面积离层、整体垮落，用∮21.6×13500mm钢绞线，将锚杆加固的“组合梁”整体悬吊于坚硬的煤、岩层中，校核锚索间距，冒落方式按最严重的冒落高度大于锚杆长度的整体冒落考虑，此时，在忽略岩体粘结力和内摩擦力的条件下，取垂直方向力的平衡，可用下式计算锚索间距。L=n·F2/[B·H·γ-(2F1·Sinθ)/L1]式中：L——锚索排距，m；B——巷道最大冒落宽度，取11.2m；H——巷道冒落高度，按最严重冒落高度取3.0m；γ——岩体比重，14.2KN/m3；L1——锚杆排距1.0m；F1——锚杆锚固力70KN；F2——锚索极限承载力，取500KN；θ——角锚杆与巷道顶板的夹角75°；n——锚索根数，取4。通过计算：L中=nf2/[BHr-(2F1sinθ)/L1]=4×500/[11.2×3×14.2-(2×70×sin75°)/1]=13.3m巷道实际所选锚索间距L5.86m。因此选择的锚索参数符合设计要求。五、矿压观测：观测对象:切巷的锚杆和锚索支护段及矿压显现较为明显和顶板破碎地段；观测内容:顶底板活动规律分析，巷道顶板离层量、底板及两帮变形相对移近量监测、支护质量动态监测、锚杆、锚索锚固力检测等；观测方法：1、顶板离层监测选用QLDC-3型顶板离层测距仪；QLMC-300夜光式记忆型锚杆锚索测力计。2、巷道每掘进50m时，在顶板岩性探测位置布置观测站。每一个观测站设置一个观测断面，不得在探眼钻孔内安装顶板离层测距仪，必须在探眼钻孔附近重新打钻孔眼，安装一个顶板离层测距仪，顶锚杆、顶锚索分别安装一块锚杆锚索测力计，在巷道顶板悬挂一块矿压观测牌板，挂牌位置作为测量顶板和两帮移近量数据的基点。同一矿压观测站内的顶板离层仪、锚索压力表、锚杆压力表应尽量布置在5米范围内。3、每个观测站牌板必须有站别编号，并必须注明：离层仪初始数据、压力表、顶底板和两帮移近量读数、岩性探测情况及观测人、观测时间。4、安设顶板离层监测仪,必须将顶板离层测距仪固定牢靠，读数计采用螺丝固定。5、巷道掘进顶板岩性变化较大或遇构造顶板破碎时，钻孔间距应缩小至30m一个。6、矿压观测时，如发现离层仪和压力表读数数值变化较大（日变化在10时）、必须及时采取进行锚索加密等专项安全技术措施，如日变化在1-3之间，且半个月内累计不超过20时，表现为顶部良好，并且观测顶板有、无响声等。7、设专人每天进行观测，距煤头50米范围内每班观测一次，50米以外每天观测一次。观测结论：1、在距煤头20米范围内日移动2-5刻度，其中最大8月28日零点班，班移动5个刻度（压风风量不足，造成2米空顶），在移动25刻度后未移动。2、20-50米范围内移动比较小，日移动1-3刻度，其中最大在9月4日4点班，班移动2个刻度（因顶板有淋头水），月移动在5-8刻度之间。3、在50-80米之间移动很小，月移动在5刻度内。4、80米以后基本不会移动。六、大断面煤巷取得成功1、从2014年8月14日开始施工切巷，9月13日贯通之间，切巷顶板为发生大的变形，两帮帮锚杆、垫片均为发生变形。2、通过工作面6组矿压观测站数据分析，锚索的受力均在50MPa左右，均能达到施工技术要求。3、通过13306、13309工作面两次切巷大断面的施工，从两次支护参数及矿压分析，我矿大断面切巷的支护参数及支护材料强度要求完全可以满足大断面支护要求。结论：巷道支护方式关系重大,不同的地质条件和掘进方式都决定着支护方式的合理性,既能达到支护强度要求、保证安全生产,又能相对节省材料消耗是巷道支护设计中的原则,不能仅凭经验一概而论。选择合理的支护方式是煤矿生产中长期而又艰巨的工作,随着煤巷快速掘进技术在陕蒙侏罗纪煤田各大型矿井的推广普及,新技术、新工艺条件下的巷道支护方式需要创新,更需要科研结果的支持以完善支护理论体系。参考文献：1、煤巷锚杆成套支护理论2007年煤炭工业出版社。2、山西世德算家沟煤矿生产矿井地质报告2012.6.3、锚杆、锚索支护规范标准2009年国标4、煤矿锚杆支护新技术5、特大断面煤巷锚杆支护技术应用2009年《神华科技》6、巷道锚杆支护参数优化意见2008年《神东集团》