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東歡坨煤礦3018運道中錨桿支護的運用

時間:2021-08-05作者:詹超群
本文導讀:這是一篇關于東歡坨煤礦3018運道中錨桿支護的運用的文章,煤炭是最安全、最經濟、最可靠的能源,在我國能源消費中仍占據重要地位。在地下煤礦實際開采中,往往需要掘進大量的巷道用于完成礦山的運輸、通風等功能。

  摘    要: 冒頂、片幫、底鼓等現象是巷道常見的變形問題,一直是巖層控制理論重點研究對象。為保證東歡坨煤礦3018運道在后期使用中的穩定性,通過采用現場地質情況調查和理論計算對其支護方案進行了系統研究,確定了其具體支護參數,并應用頂板離層儀對3018運道進行了變形監測。監測結果表明,采用的錨桿支護方案能有效控制巷道的變形,驗證了錨桿支護的合理性和優越性。

  關鍵詞 :     東歡坨煤礦;錨桿支護;理論計算;頂板離層儀;巷道變形;

  煤炭是最安全、最經濟、最可靠的能源,在我國能源消費中仍占據重要地位[1,2,3]。在地下煤礦實際開采中,往往需要掘進大量的巷道用于完成礦山的運輸、通風等功能。但由于井下巷道賦存地質條件較為復雜,在后期的使用過程中,常常會發生冒頂、片幫等現象,嚴重影響礦山的生產安全;诖,國內外開展了許多關于巷道支護的研究,提出了大量的支護理論,諸如懸吊理論、組合梁理論和壓縮拱理論等[4,5,6,7,8],研發了錨桿支護、棚式支護、噴漿支護和聯合支護等多種支護技術[9,10,11,12],極大地促進了巖層控制理論和支護技術的發展。借鑒上述支護理論和支護技術,本文對東歡坨煤礦3018運道的支護方案進行研究,研究結果可為面臨類似情況的巷道支護提供重要參考。

  1、 工程概況

  東歡坨煤礦3018運道位于-690水平中央下段采區的3018工作面,其主要職責為回采運煤及工作面進風。地質調查結果表明,該工作面煤層穩定,以亮煤為主,塊狀,煤中含黃鐵礦結核。煤層平均傾角21°,平均煤層厚1.8 m。煤層老頂以細砂巖為主,平均厚度3.6 m, 直接頂以粉砂巖為主,厚度2.1 m, 偽頂為0.6 m的腐泥質粘土巖,直接底為1.8 m的粉砂巖。但在3018運道掘進范圍內存在F214和DF12兩條正斷層,且DF12斷層對運道開挖存在較大影響。工程巖體質量分級結果表明,3018運道圍巖質量分級為III級巖體。為保證巷道安全開挖和后期長期運行的穩定性,需對3018運道采取一系列支護措施,以有效控制巷道變形。
 

東歡坨煤礦3018運道中錨桿支護的運用
 

  2、 錨桿支護參數確定

  3018運道為矩形斷面(圖1),坡底破板掘進,掘進寬度為5 m, 高度為3 m, 掘進斷面積為15 m2,凈寬為4.8 m, 凈高為2.8 m。

  圖1 3018巷道斷面示意
圖1 3018巷道斷面示意

  2.1 、頂錨桿參數確定

  2.1.1 、頂錨桿長度確定

  1) 按照《煤礦礦井采礦設計手冊》中加固拱原理計算錨桿長度L:

  L=La+Lb (1)

  La可由式(2)計算:

  La=N(1.5+B10) (2)

  式中:L為錨桿長度,m; N為圍巖穩定系數,取值范圍為0.9~1.2,此次研究中N取1.0;B為錨桿支護范圍寬度,m。

  在3018運道中,巷道寬B=4.8 m, 則La=1.0×(1.5+4.8/10)=1.98 m。

  Lb為錨桿盤厚度、錨桿螺母厚度和錨桿外露長度三者的和,則在此次支護研究中Lb=0.008+0.035+0.050=0.093 m。

  因此,按照《煤礦礦井采礦設計手冊》中加固拱原理計算錨桿長度,3018運道頂錨桿長度應為L=La+Lb=1.98+0.093=2.055 m。

  2) 按垮落拱高度計算錨桿長度L。錨桿長度應伸到垮落拱外的巖石中去,根據《煤巷錨桿支護理論與成套技術》,“新奧法對錨桿長度的選擇也提出一些準則,基于錨桿支護的作用是在圍巖中形成自承拱的原理,錨桿長度主要與巷道圍巖條件及跨度有關,對于比較完整的硬巖,錨桿長度取1.0~1.2 m; 對于完整性較差的中硬巖石,錨桿長度取巷道寬度的1/4~1/3,一般為2~3 m; 對于松軟破碎的巖體,錨桿長度取巷道寬度的1/2~2/3,一般為4~6 m”。

  由工程概況中的巖體質量分級結果可知,3018運道圍巖為III級巖體,錨桿長度L應為巷道寬度的1/4~1/3,即L=(1/4~1/3)×4.8=1.2~1.6 m。

  通過上述兩種計算方法,錨桿長度應該不小于2.055 m, 結合東歡坨煤礦以往的支護經驗,確定3018運道頂錨桿長度為2.4 m。

  2.1.2 、錨桿直徑計算

  按照《礦山壓力與巖層控制》中桿體承載力不小于錨固力原則確定:

  d≥35.52QRt???√ (3)

  式中:d為錨桿直徑,mm; Rt為桿體材料抗拉強度,高強錨桿取500 MPa; Q為錨固力,本次研究中取80 kN。

  將上述數據代入式(3)得到,支護所用錨桿理論直徑為14.208 mm, 結合東歡坨煤礦以往錨桿支護經驗,最終選定3018運道錨桿直徑為22 mm。

  2.1.3 、頂錨桿間排距計算

  按照《煤礦礦井采礦設計手冊》中加固拱原理計算:

  D≤0.5L (4)

  式中:D為錨桿間排距,m; L為錨桿長度,m。

  由前面的計算可知,3018運道錨桿長度L為2.4 m, 則頂錨桿間排距為1.2 m。結合東歡坨煤礦已有錨桿支護經驗,掘進施工中,頂錨桿間排距不大于1.0 m; 為加強支護,確定3018運道頂錨桿間距為0.8 m, 排距為0.9 m。

  另外,根據《開灤股份有限公司煤巷錨桿支護技術管理暫行規定》:“頂錨桿桿體必須使用單向左旋無縱筋螺紋鋼,錨桿桿體的加工應采用等強加工工藝,尾部螺紋段承載力不低于桿體破斷力的90%,頂錨桿直徑不低于22 mm, 屈服強度不小于400 MPa”等,結合以上計算及我礦施工錨桿經驗,最終確定3018運道使用的頂錨桿為長2.4 m、D22 mm的高強右(左)旋螺紋鋼桿體錨桿,頂錨桿間距為0.8 m、排距為0.9 m; 每孔裝3卷K2333樹脂錨固劑,輔以1 000 mm×4 800 mm金屬菱形網護頂。

  2.2 、兩幫錨桿參數的選取與參數確定

  為能有效控制巷道兩幫變形,根據表1巷道幫錨桿支護形式與主要支護參數的選擇標準,以及與東歡坨煤礦所施工工程進行類比,兩幫可采用D20 mm, 長度2.0 m的等強螺紋鋼錨桿,鋪以1 000 mm×2 800 mm金屬菱形網護幫,每眼裝2支K2333樹脂錨固劑,兩幫錨桿間距為0.8 m, 排距為0.9 m。

  表1 巷道幫錨桿支護形式與主要支護參數的選擇

  2.3、 錨索支護參數的確定

  根據《開灤股份有限公司煤巷錨桿支護技術管理暫行規定》,要求錨索打至穩定巖層中1 m以上,參照該區域11煤層頂底板綜合柱狀圖,確定其參數。

  1) 錨索長度確定。

  錨索長度計算公式為:

  L=La+Lb+Lm (5)

  式中:La為錨索在巖層之外的長度(包括托盤厚度、鎖具厚度、外露長度),取0.32 m; Lb為錨索長度范圍內不穩定巖層厚度,根據該區域11煤層頂底板柱狀圖,取2.7 m; Lm為錨索錨固在穩定巖層中的長度,取1.5 m。

  因此,此次研究中3018運道錨索的計算長度為4.52 m?紤]地質條件變化,并根據已有11煤層巷道錨網支護經驗和目前支護材料,最終確定3018運道錨索規格為長5.5 m、直徑17.8 mm; 根據《開灤(集團)有限責任公司煤炭生產安全技術管理文件匯編》,錨索一般選用低松弛級鋼絞線錨索,破斷載荷為200~260 kN;托盤使用強度與錨索強度相匹配的,單體錨索托盤規格為:235 mm×235 mm×20 mm, 材料極限強度不低于350 MPa。

  2) 錨索間排距確定。

  錨索間排距可由公式(6)進行計算:

  LS≥2 (6)

  式中:L為錨索有效長度,取5.18 m; S為錨索間排距,m。

  由式(6)可知,3018運道錨索間排距S≤2.59 m。

  布置方式為加強支護,3018運道布置兩趟錨索,呈五花眼布置,間距為0.8 m, 排距為0.9 m。特殊地點:開口處、透點口處要及時補打錨索,補打錨索數量不小于2根;錨網臺棚錨索數量及布置形式,三通臺棚不少于5根,四通臺棚不少于9根,均勻布置在臺棚范圍。臺棚中心位置錨索數量應根據臺棚大小確定,一般不少于1~2根錨索。圖2為錨桿、錨索和錨網支護方案。

  圖2 錨桿、錨索、錨網支護方案(mm)
圖2 錨桿、錨索、錨網支護方案(mm)

  2.4、 錨桿實施工藝

  3018運道掘進時,采用MYT-140/320型液壓錨桿鉆機(風動錨桿機),配套鉆桿B19型中空鉆桿長度1.0 m、1.5 m和2.4 m, 鉆桿配套使用,鉆頭D29 mm雙翼鉆頭。幫錨桿施工使用風動錨桿機(液壓錨桿鉆機)配套使用D26 mm×1 800 mm煤鉆桿D29 mm煤鉆頭。錨索鉆具同樣采用B19中空六方接長鉆桿,每套6 m, 鉆頭D27 mm雙翼鉆頭。錨索漲拉力采用MS19-200/40型錨索張拉機具,液壓剪GQ190型。

  施工工藝包括掘進和支護兩大部分,施工工藝流程為:

  機掘:安全確認—找掉—延接刮板輸送機(或延接膠帶輸送機)—截割斷面—出煤—找掉—臨時支護—找掉—定位—鋪頂網、鋼帶—打頂錨桿—出煤—鋪幫網—打幫錨桿—進行下一個循環。

  炮掘:安全確認—找掉—延接刮板輸送機—找掉—鋪設護網—打眼—找掉—裝藥連線爆破—找掉—臨時支護—找掉—定位—鋪頂網、鋼帶—打頂錨桿—出煤—鋪幫網—打幫錨桿—進行下一個循環。

  圖3為3018運道錨桿和錨索支護所在地質條件。

  圖3 錨桿和錨索支護所在地質條件(mm)
圖3 錨桿和錨索支護所在地質條件(mm)

  3、 支護效果分析

  3018運道支護工作完成后,采用頂板離層儀對巷道的頂板變形情況進行了現場監測。具體步驟如下:按照規定每隔20~50 m安裝監測點,在巷道掘進初期1個月內,每天進行1次監測,1個月以后,每周監測1次。當離層累計值超過20 mm時,要及時匯報并采取措施。如測點損壞,必須及時增補表面位移測點,繼續延續其測量工作。圖4~圖6為1~3號測點的監測結果。

  圖4 1號測點監測結果
圖4 1號測點監測結果

  圖4 1號測點監測結果
圖4 1號測點監測結果

  圖5 2號測點監測結果
圖5 2號測點監測結果

  圖6 3號測點監測結果
圖6 3號測點監測結果

  由頂板離層儀監測結果(圖4~圖6)可知,3018運道位移的最大累積變形量不會超過10 mm, 均在可控范圍內,這表明了3018運道所選擇的支護方案能有效控制巷道的變形,具有明顯的優越性。

  4 、結 語

  煤礦在開采中需開挖大量的采動巷道,受地質賦存條件的限制,此類巷道往往存在圍巖破碎,易出現底鼓、冒頂、片幫等巷道大變形現象,為保證巷道在生產過程中的長期使用,多數巷道均會采取支護措施。本文以東歡坨煤礦3018運道為工程背景,通過采用理論計算、現場施工和后期監測等技術手段對其支護方案進行了詳細的論證,得出結論主要如下:

  1) 錨桿尺寸和排間距參數。通過理論計算和礦山以往支護經驗,最終確定頂錨桿為長2.4 m、D22 mm的高強右(左)旋螺紋鋼桿體錨桿。兩幫錨桿為長2.0 m、D20 mm的等強螺紋鋼錨桿。錨索為長5.5 m、D17.8 mm。錨桿錨索間距均為0.8 m, 排距均為0.9 m。

  2) 采用頂板離層儀對3018運道頂板的變形情況進行長期監測,結果表明,在近半年的監測中,頂板最大累積變形量未超過10 mm, 均在可控范圍內,驗證了3018運道支護方案的可靠性和優越性。

  3) 東歡坨煤礦3018運道錨桿-錨索-菱形金屬網聯合支護的成功應用,為同類條件的巷道支護提供了重要參考,具有十分重要的推廣意義。

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