新景矿厚煤层托顶煤巷道支护技术优化及应用

2017-06-19许国胜

采矿与岩层控制工程学报 2017年3期

关键词：新景托板锚索

许国胜

(阳泉煤业(集团)有限责任公司新景矿，山西阳泉 045000)

新景矿厚煤层托顶煤巷道支护技术优化及应用

许国胜

(阳泉煤业(集团)有限责任公司新景矿，山西阳泉 045000)

针对阳煤集团新景矿15号煤层厚煤层托顶煤巷道支护难题，对井下原有支护和破坏情况进行调研与分析，提出原有巷道存在支护初期刚度低、支护参数不合理、支护构件力学性能差、施工工艺和机具落后等问题，在此基础上，从地质力学测试、支护前期试验、巷道支护材料、支护参数、施工工艺等环节进行系统优化与调整，在15号煤层15028工作面进风巷进行了井下工业试验。试验表明，通过对原有巷道支护技术进行优化后巷道支护效果明显改善，巷道变形量降低70%，支护成本降低30%，同时提高了巷道掘进效率，取得了良好的支护效果。

厚煤层；巷道支护优化；施工机具；护表面积；井下试验

Optimal and Application of Roadway Support with Extra Thick Coal Seam and Top Coal in Xinjing Coal Mine

巷道支护技术是煤矿开采中的关键技术，合理、安全、可靠的巷道支护技术是煤矿实现高产高效的必要前提[1-2]。巷道支护技术是一个系统工程和成套技术，包括：巷道围岩地质力学评估、锚杆支护设计、巷道支护材料、巷道施工工艺以及巷道矿压监测等多个环节[3-4]，因此巷道支护技术优化应当从上述各个方面进行全面的优化和调整，才能保证巷道支护技术的科学性与合理性[5-6]。

本文以阳煤集团新景矿厚煤层托顶煤巷道支护为工程背景，针对原有巷道支护存在的问题，对原有巷道支护技术进行系统优化和调整[7]，并进行井下试验与监测，显著提升巷道围岩稳定性，取得了良好的巷道支护效果。

1 工程背景

新景煤矿是阳煤集团公司下属主力矿井之一，生产能力达4.5Mt/a，开采煤层为石炭系3号煤层、8号煤层和15号煤层，围岩条件复杂，巷道类型繁多，一般采用锚网索+单体支柱复合支护方式。15号煤层平均厚度6.6m，巷道沿煤层底板掘进，巷道顶煤厚度达到3.6～5m，顶板一般采用全锚索进行支护，锚索直径17.8mm，长度7.2～8.2m，配套采用波纹钢带和铸钢锚索托板。巷帮采用直径20mm的麻花圆钢锚杆，锚杆排距0.8m。局部区域巷道变形较大，采用补强锚索加强支护，锚索直径21.6mm，配合采用槽钢或工字钢，部分巷道回采期间补强锚索直径达到28.6mm。巷道支护强度很高，但15号煤层托顶煤巷道支护效果不理想，部分巷道变形量很大，巷道矿压显现十分显著，锚杆锚索大量破断和失效，包括直径为28.6mm的强力锚索，巷道变形十分严重，80124工作面回风巷在回采阶段顶底板和两帮变形量超过2m，15021工作面回风巷属于托顶煤巷道，在二次动压影响下托顶煤下位巷道高度不足1m，巷道接近报废状态，巷道支护和维护难度大。

2 巷道变形破坏因素分析

针对新景矿15号煤层托顶煤巷道变形大，支护效果差，分析新景矿巷道支护技术状况，主要存在以下几方面问题。

(1)支护设计理念落后。原有巷道支护以被动支护为主，主要依据悬吊理论和工程经验，对高预应力强力支护技术认识不足，支护理念存在误区或者错误观念，认为将锚索巷道顶板悬吊在稳定的岩层上，锚索设计长度很大，部分锚索长度超10m，施工难度大，但效果一般。

(2)顶帮支护不合理。新景矿普遍存在顶板支护强度偏大，巷帮支护强度偏低的问题，部分巷道顶板采用全锚索进行支护，而巷帮仅采用圆钢锚杆进行支护，造成巷道两帮变形严重，引起了巷道底鼓和顶板变形。

(3)支护材料种类繁多，支护构件协调性差。新景矿巷道支护组合构件有：波纹钢带、W钢带、M钢带、槽钢和工字钢，托板包括：波纹托板、框式托板、水泥托板、平托板等，锚杆与托板，锚索索体、锚具及构件相互协调性差。

(4)支护系统预应力低，护表面积小，预应力扩散效果差。新景矿锚杆预紧力矩120N·m，锚索预紧力150kN，锚杆锚索预紧力偏低，由于支护构件护表面积小，与岩面呈线接触，预应力扩散效果差，没有形成高预应力承载结构。

(5)锚杆锚索高预紧力施工和检测机具落后，性能差，可靠性不足，无法施加高预应力，不能有效发挥锚杆锚索作用。

3 巷道支护技术优化

3.1 巷道围岩地质力学参数测试

采用地质力学原位快速测试系统，对15号煤层15028工作面巷道围岩地应力、围岩强度和围岩结构进行全方位测试。测试数据表明：15号煤层测试区域最大水平主应力16.95MPa，最小水平主应力8.69MPa，垂直主应力15.03MPa，最大水平主应力与最小水平主应力方向为北偏东80.8°，与试验巷道夹角为9.2°，水平应力方向与巷道掘进方向基本一致。

3.2 巷道支护前期试验与测试

新景矿15028工作面进风巷锚杆和锚索锚固性能测试试验结果如表1所示。试验结果表明，对于直径20mm，钢号500号，长度2.4m，采用1支Ck2340+Z2350双速锚固剂或1支Z2360树脂锚固剂，锚杆锚固力达到159kN，而矿方原有圆钢锚杆，锚固力在58～72kN之间。直径17.8mm，长度为6.2m的顶锚索，采用1支Ck2340+Z2380双速锚固剂，锚固力达到265kN。对于6.2m锚索通过采用端部增加搅拌头情况下，锚索锚固力试验结果未见显著提升。同时采用6.2m的锚索锚固力不低于8.2m的锚索锚固力，甚至略有增高。

表1 锚杆锚索锚固性能试验

3.3 巷道支护材料优化

新景矿通过支护材料优化，有效提升支护材料力学性能，改善锚杆锚索受力状态，提高支护系统的可靠性。原有锚索托板从铸钢结构(规格为240mm×200mm×85mm)，优化为高强度可调心拱形锚索托板(规格为300mm×300mm×16mm)，如图1所示。锚杆托板从框式托板(规格为350mm×120mm×40mm)，优化为W钢护板(规格为280mm×450mm×4mm)配合高强度可调心拱形锚杆托板(规格为150mm×150mm×10mm)，如图2所示。

图1 锚索构件及结构优化

图2 锚杆构件及结构优化

3.4 高预紧力施工和检测机具

高性能的巷道施工和检测机具是实现锚杆锚索高预应力的必要前提。通过配备高性能的巷道施工装备，如扭矩倍增器、锚杆拉拔器、大功率锚索张拉机具、大量程扭矩扳手等新型施工和检测工具，巷道施工工艺得到优化升级，锚杆预紧力矩达到400N·m，对应锚杆轴向预紧力约80kN，锚索预紧力可达250kN以上。

4 现场应用

4.1 巷道地质条件

试验地点选择新景矿15号煤层一采区15028工作面进风巷，15号煤层平均厚度为6.6m，巷道沿15号煤层底板布置，顶板由煤、石灰岩和泥岩组成。巷道顶煤厚3.3m，顶煤强度17.0MPa，煤层松软，破碎，裂隙发育，石灰岩厚2.6m，强度为111.9MPa，泥岩厚1.6m，强度34.5MPa。巷道埋深500～600m，断面为矩形，宽度5.2m，高度3.1m。

4.2 支护参数设计

巷道采用树脂加长预应力锚固支护。锚杆钢号500，直径20mm，长度2.4m。顶板采用W钢带与经纬网护表，顶锚杆排距900mm，间距950mm。巷帮采用W 护板与菱形金属网，每排3根锚杆，间距1100mm。锚杆预紧力矩设计400 N·m。锚索直径17.8mm，长度6.3m，树脂加长锚固。每排打2根锚索。锚索预紧力为250kN。锚杆支护布置如图3所示。

4.3 支护效果及反馈

根据优化后巷道支护设计进行井下施工后，巷道支护效果明显改善，巷道基本没有发生离层和破坏，W钢带和W钢护板紧贴煤壁，巷道围岩完整，稳定性较好，没有出现锚杆和锚索破断现象。矿压监测数据如图4所示，采用新方案后锚杆锚索受力十分稳定，巷道顶底板变形量最大仅61mm，两帮变形34mm，相比较原方案巷道变形量降低70%，支护成本降低30%，巷道掘进效率也明显提高。同时，在巷道掘进过程中，顶板断裂声音(煤炮声)频率明显减少，巷道支护效果如图5所示，取得较好的支护效果，矿方后续在类似条件的巷道进行了推广和应用。