吴拥政,何 杰,高来举

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;

2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;3.中国矿业大学 （北京）,北京 100083）

全长预应力结构防止钻孔瓦斯积聚技术研究

吴拥政1,2,何 杰1,2,高来举3

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;

2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;3.中国矿业大学 （北京）,北京 100083）

高瓦斯矿井锚杆锚索孔内高浓度瓦斯积聚,工作面回采过程中由于锚杆锚索各构件在高速旋转过程中相互碰撞或端头支架与锚杆锚索头碰撞产生火花而引燃锚杆锚索孔中高浓度瓦斯造成安全事故。分析了锚杆孔中瓦斯罐的形成及瓦斯燃烧因素,井下实测了锚杆支护巷道中瓦斯含量,并对结果进行了分析。论述了实现全长预应力结构的技术措施,并在井下进行了工业性试验。由于采用了全长预应力结构的锚杆锚索组合支护系统,锚杆与孔壁之间的间隙被锚固剂完全充填,不仅支护效果良好,而且消除了高瓦斯矿井锚杆支护巷道中瓦斯罐的隐患。

全长预应力;瓦斯积聚;瓦斯罐

煤层瓦斯是造成煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出以及瓦斯爆炸等重大瓦斯灾害的主导因素,瓦斯灾害的有效控制是保证煤矿可持续发展的一个关键性问题。在煤与瓦斯突出矿井中,随着开采强度的不断增大,地质条件的不断恶化,矿井瓦斯涌出量也不断增加。

锚杆支护作为煤炭开采中的一项关键技术以其及时、主动的特点,在国内目前巷道支护中占据着越来越大的比重[1]。然而,近年来越来越多的高瓦斯矿区相继出现了锚杆、锚索孔内高浓度瓦斯积聚,在锚杆安装或工作面回采过程中,由于锚杆（索）各构件在高速旋转过程中相互碰撞或端头支架与锚杆锚索头碰撞产生火花而引燃锚杆锚索孔中高浓度瓦斯造成安全事故。2002年某矿在回采巷道中打锚杆时,因托盘旋转与钢带摩擦产生火花,引燃了钻孔内涌出的瓦斯,造成瓦斯燃烧,燃烧面积 300mm×400mm;2006年某矿在井底车场切割废弃的锚杆时连续发生 2次锚杆孔瓦斯燃烧事故;某矿在锚杆支护巷道中曾发现突然有火苗从巷道煤壁中冒出;某矿在工作面的尾巷,由于锚杆眼内瓦斯积聚,在锚杆锚索断裂过程中发生瓦斯燃烧事故。2007年在深部安全开采论证会上,某矿业集团某矿在汇报过程中提到该矿曾对锚杆孔内瓦斯浓度进行过测试,测试结果孔内瓦斯浓度为 95%。

消除锚杆支护巷道中这一重大安全隐患,从根本上讲是消除巷道中锚杆孔的瓦斯积聚现象。本文从锚杆孔中瓦斯罐的形成以及瓦斯燃烧的因素进行了分析,对各种不同条件的锚杆支护巷道锚杆孔中瓦斯含量进行了测定和分析,提出了解决这一安全隐患的方法。

1 锚杆孔中瓦斯罐形成分析

由于锚杆的支护作用显著,现在高瓦斯矿井中巷道支护方式主要选用锚杆支护技术,锚杆在发挥作用的同时,由于其所处的工程环境有别,锚杆在连接破碎煤体与稳定区域同时,锚杆局部或者大部分处于破碎的煤体中,而锚杆采用端锚或者加长锚固,锚杆尾部采用托盘和螺母预紧,加上煤体瓦斯的不断溢出,尤其是在破碎煤体中瓦斯解析更加明显,这样就在锚杆孔与锚杆之间形成了一个封闭瓦斯的集聚地,称为锚杆孔中的瓦斯罐,高瓦斯矿井中锚杆孔瓦斯罐如图 1。

图1 锚杆孔中瓦斯罐

2 锚杆孔中瓦斯燃烧因素分析

瓦斯燃烧必须具备的条件:一定浓度的甲烷、一定温度的引火源和足够的氧。

（1）爆炸界限 理论分析和试验研究表明,在正常的大气环境中,瓦斯在一定的浓度范围内会爆炸,这个浓度范围称为瓦斯的爆炸界限。其最低浓度界限叫爆炸下限,其最高浓度界限叫爆炸上限,在新鲜空气中,瓦斯爆炸界限为 5%～16%。当瓦斯浓度低于爆炸下限时,遇高温火源并不爆炸,只是在火焰外围形成稳定的燃烧层,当浓度高于爆炸上限时,有新鲜空气供给时,该混合气体会在瓦斯气体与空气的接触面上燃烧,因此,在钻孔孔口处易发生瓦斯燃烧事故。

（2）引火温度 瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量取决于空气中的瓦斯浓度、初压和火源的能量及其放出的强度和作用时间。瓦斯 -空气的混合气体的最低点燃温度绝热压缩时 565℃,其它情况是 650℃,最低点燃能量为 0.28mJ。并且瓦斯燃烧的感应期总是小于爆炸的感应期,因此,锚杆钻孔孔口处极易发生瓦斯燃烧事故。

（3）氧的浓度 当氧气浓度减少到 12%以下时,瓦斯混合气体即失去爆炸性,只有在新鲜空气供给时,高浓度瓦斯混合气体才会燃烧。

高瓦斯巷道锚杆支护采用端锚或加长锚固容易在钻孔中形成瓦斯罐,导致钻孔中高浓度瓦斯混合气体聚集并在孔口处与巷道中新鲜空气接触,这样瓦斯燃烧极有可能在瓦斯混合气体和新鲜空气的接触面上发生。

因此,要防止锚杆、锚索钻孔中瓦斯罐的形成和瓦斯的燃烧,首先对要进行锚杆支护巷道进行理论分析,保证巷道支护安全。另外,煤体瓦斯含量、煤层的透气性、煤体垂直应力分布,以及煤体压力梯度是影响锚杆孔中瓦斯聚集程度的因素,对于具体巷道而言,煤层的透气性是影响瓦斯聚集的关键因素,采动条件下,瓦斯的透气性与煤体的应力分布有密切的关系。

3 锚杆支护巷道中瓦斯含量实测分析

从影响锚杆孔中瓦斯燃烧因素分析来看,高瓦斯矿井锚杆支护巷道中瓦斯罐燃烧的关键因素是瓦斯的含量。为详细掌握巷道中锚杆孔的瓦斯含量,对潞安集团余吾煤业公司不同锚杆支护巷道中锚杆孔中瓦斯含量进行了实测分析。

3.1 巷道支护方式

余吾煤业公司 N1202工作面胶带巷为矩形断面,沿底板掘进。宽 4.8m,高 3.2m,掘进面积15.36m2。采用锚梁网加锚索支护,顶部为 6根φ22mm×2400mm让压锚杆,每根锚杆采用 1支K2335树脂药卷和 1支 Z2360树脂药卷锚固。锚杆排距 1000mm,顶锚杆间距 860mm,每帮为 4根φ22mm×2400mm让压锚杆,每根锚杆采用 1支Z2360树脂药卷锚固,锚杆排距为 1000mm,间距为 850mm,顶部采用W钢带支护。顶部布置 2排锚索,方式为三花布置,锚索规格 φ17.8mm×8300mm,锚索排距 1m,间距 2.58m,采用 1支K2335树脂药卷和 2支 Z2360树脂药卷锚固。

S1202瓦排巷沿 3号煤顶板掘进,巷道断面为矩形,宽 3.8m,高 3.2m,断面积为 12.16m2,巷道采用树脂锚固,双泡让压锚杆、锚 （网）索组合支护方式。顶板锚杆杆体为 φ22mm左旋无纵筋螺纹钢钢筋,长度 2.4m,树脂加长锚固,采用 2支 K2350低黏度快速树脂锚固药卷锚固。沿空掘巷段锚杆排距 700mm,每排 6根锚杆,间距700mm。锚索材料为 φ18.9mm高强度低松弛预应力钢绞线,长度 8300mm,采用 3支 K2350低黏度快速树脂药卷锚固,每排 3根,排距 700mm,间距 1000mm。巷帮支护锚杆排距 700mm,每帮 5根锚杆,间距 700mm。

3.2 锚杆孔中瓦斯含量实测结果分析

为了掌握高瓦斯巷道中掘进面处锚杆孔中瓦斯含量,对余吾煤业公司井下巷道进行实测,测量在巷道刚开挖出来后,未进行锚杆安装之前进行测量,为方便记录,对观测的锚杆孔进行编号,编号顺序从右帮到左帮,如图 2。主要对 S1202回风巷、进风巷、瓦排巷及南二进风下山、N1202胶带巷等 5条巷道进行了测量,测量结果如表 1～5。

图2 巷道中所测锚杆孔编号

表1 S1202回风巷 （沿底掘进）锚杆孔瓦斯浓度

表2 S1202进风巷 （沿顶掘进）锚杆孔瓦斯浓度

表3 S1202瓦排巷 （沿顶掘进）锚杆孔瓦斯浓度

表4 南二进风下山 （沿顶掘进）锚杆孔瓦斯浓度

表5 N1202胶带巷 （沿底掘进）锚杆孔瓦斯浓度

由表 1～5可以看出:沿底板掘进巷道中,锚杆孔瓦斯浓度普遍要高于沿顶板掘进巷道 （瓦排巷除外）;在同一条锚杆支护巷道中,巷道沿底掘进时,可以发现顶板锚杆 （索）孔中瓦斯浓度高于两帮瓦斯浓度,而沿顶板掘进时,锚杆孔中瓦斯含量刚好相反,两帮瓦斯浓度高于顶板;同一巷道同一断面条件下,两帮顶角锚杆孔中瓦斯浓度普遍高于其他锚杆孔;锚杆钻孔中的瓦斯浓度普遍高于瓦斯爆炸上限,最高浓度达 98%,远远超出了瓦斯爆炸范围,存在瓦斯燃烧重大隐患。

结合巷道围岩受力特征可知:巷道开挖后,巷道周围遭到不同程度的破坏,巷道一定深度范围内,煤体破碎,瓦斯透气性好,锚杆孔中瓦斯容易积聚;同一条巷道中,由于巷道两帮顶角部位受到应力集中,巷道两个顶角的应力集中程度大,煤岩体比较破碎,煤层透气性高,巷道开挖后,锚杆孔中瓦斯聚集速度非常快;沿煤层底板掘进巷道,随着巷道宽度的加大,顶板塑性区分布范围大,煤体破坏范围广,锚杆孔中瓦斯容易聚集。

4 全长预应力结构防止钻孔瓦斯积聚

按锚杆锚固长度,可将锚固方式分为端部锚固、加长锚固与全长锚固。对于端部锚固锚杆,锚固剂的作用在于提供黏结力,使锚杆能承受一定的拉力。对于全长锚固锚杆,锚固剂的作用主要有两方面,一是将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起,使锚杆随着岩层移动承受拉力;二是当岩层发生错动时,与杆体共同起抗剪作用,阻止岩层发生滑动。全长锚固锚杆与端部锚固锚杆的根本区别就在于端锚锚杆体受力对围岩变形和离层不敏感,支护刚度低,全长锚固杆体受力对围岩变形和离层很敏感,能及时抑制围岩离层与滑动,支护刚度高。

全长预应力锚固不同于传统的全长锚固,其主要通过锚固剂的凝胶时间差来实现的,具有端部锚固和全长锚固的优点,能够在较长的锚杆杆体上施加预紧扭矩,锚杆预应力扩散效果比较好,同时增加了对围岩离层及错动的敏感度。其实施方法为先对锚杆施加预应力,锚固剂后固化,最终实现全长预应力锚固。

针对端锚及加长锚固高瓦斯矿井钻孔内存在瓦斯积聚的问题,在余吾煤业公司 S2205工作面回风巷进行了工业性试验。S2205回风巷沿 3号煤层底板掘进,采用全长预应力锚固锚杆锚索组合支护系统进行支护。锚杆锚固方式为树脂全长锚固,采用4支低黏度树脂药卷,1支规格为 K2635,和 3支规格为M2660。钻孔直径为 30mm。锚索采用 1支K2635和 3支 M2660低黏度树脂药卷锚固后注浆实现全长锚固。巷道在掘进及回采期间巷道变形量小,锚杆锚索受力整体上不大,巷道围岩稳定。

由于采用了全长预应力锚杆锚索组合支护系统,锚杆与孔壁之间的间隙被锚固剂完全充填,锚杆与围岩粘结成一整体,不仅支护效果良好,而且消除了高瓦斯矿井锚杆支护巷道中瓦斯罐的隐患。

5 结论

（1）在高瓦斯巷道中,采用端锚或加长锚使钻孔中高浓度瓦斯混合气体聚集并与巷道中新鲜空气接触,在诸如金属与岩石撞击或相互剧烈摩擦（其切削面的表面温度往往能达到或超过 1400℃）等导致引火温度达到瓦斯的点燃值,这时燃烧极有可能在瓦斯混合气体和空气的接触面上发生。

（2）实测表明:沿底板掘进巷道中,锚杆孔瓦斯浓度普遍要高于沿顶板掘进巷道 （瓦排巷除外）;在同一条锚杆支护巷道中,巷道沿底掘进时,顶板锚杆 （索）孔中瓦斯浓度高于两帮瓦斯浓度,而沿顶板掘进时,锚杆孔中瓦斯含量刚好相反,两帮瓦斯浓度高于顶板。

（3）同一巷道同一断面条件下,两帮顶角锚杆孔中瓦斯浓度普遍高于其他锚杆孔。巷道锚杆钻孔中的瓦斯浓度普遍高于瓦斯爆炸上限,最高浓度可达 98%,存在瓦斯燃烧重大隐患。

（4）大采高大断面条件下巷道周围围岩应力状态差,围岩破碎,有利于锚杆孔中瓦斯积聚,必须通过采用全长预应力结构消除锚杆锚索钻孔内瓦斯积聚的问题,减少安全隐患。

[1]康红普,王金华 .煤巷锚杆支护理论与成套技术 [M].北京:煤炭工业出版社,2007.

[2]王德明 .矿井通风与安全 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

Technology of PreventingMethane Accumulation in Bore-hole with Full-length Pre-stress Sturcture

WU Yong-zheng1,2,HE Jie1,2,GAO Lai-ju3
（1.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;2.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.China University ofMining&Technology（Beijing）,Beijing 100083,China）

In mine with high methane content,high-concentration methane would accumulate in boreholes for anchored bolt and anchored rope.Duringmining procedure,collision of every component of anchored bolt and anchored rope,or collision of anchored bolt head and head supportmay ignite methane in boreholes and result in disaster.Methane pot form mechanis m and methane combustion factors were analyzed;methane content in roadway supported by anchored boltwasmeasured and analyzed.Full-length pre-stress structure was introduced to preventmethane disaster and industrial testwasmade.The gap between bolt and boreholewas filled fully by anchored material if applying combined supporting system with full-length pre-stress structure,so the supporting effectwas excellent and hidden danger ofmethane potwas eliminated.

full-length pre-stress;methane accumulation;methane pot

TD712.54

A

1006-6225（2011）03-0128-04

2011-03-15

国家科技支撑计划项目 （2008BAB36B07）

吴拥政 （1978-）,男,河南修武人,硕士,工程师,从事巷道支护及矿压的研究和推广工作。

[责任编辑:王兴库 ]