杜儿坪矿73907胶带巷超前支护技术研究与应用

王 坤

(山西焦煤西山煤电杜儿坪矿,山西 太原 030000)

回采巷道围岩稳定性作为影响煤矿安全生产的重要因素,特别是超前支护,采动会明显增加围岩应力,使巷道顶板、两帮发生变形,严重影响正常生产。我国煤矿回采巷道超前支护普遍采用单体液压支柱配合π梁的被动支护方式,但对控制回采巷道围岩变形效果不佳,同时,存在劳动强度大、作业效率低等问题。

目前,对回采巷道超前支护方式的研究总体上分为3种,即超前支架、单体支柱、注浆锚索。超前支架作为大型综采工作面超前支护的重要方式,对控制巷道顶板起到一定作用[1],但受地质条件限制,应用范围小、控制两帮位移量效果不佳。单体支柱使用最为广泛,但实际效果不明显。注浆锚索作为主动支护方式,受到了诸多学者的关注,主要研究了注浆锚索受力特征[2-3]、数值模拟[4-6]、作用机制以及动力学研究等方面[7-8],对其在沿空留巷、加固大巷现场应用等进行分析[9-11],关于理论分析与现场应用相结合的研究较为缺乏。

为解决回采巷道超前支护问题,同时提高支护效果及效率,本文对杜儿坪矿73907 工作面胶带巷进行分析,运用理论分析与现场应用相结合的方式,以实现对回采巷道围岩变形控制的目的。

1 锚岩体支护应力分析

1.1 三维模型建立

根据巷道煤岩情况,运用PROE三维建模软件,建立相应煤岩三维模型,模型尺寸:长×宽×高=15 m×10 m×7.9 m,网格单元0.1 m,具体见图1.

图1 煤岩三维模型

1.2 应力分析

锚杆(索)预紧力效果直接关系锚岩支护效果,即巷道支护核心为预紧力,与此同时,保证预紧力得到有效扩散。此外,锚岩支护应具备良好的延伸性,保证回采过程中围岩变形得以释放。所以,为有效控制73907胶带巷围岩变形,确保注浆锚索最佳支护效果,本文对锚索预紧力、间排距以及锚索长度进行分析,锚索直径均为21.6 mm.

1) 锚索预紧力分析。锚索预紧力方案对比见图1.

表1 锚索预紧力方案对比

由图2、图3可以得到,随着锚索预紧力的增大,顶板发生变形的同时,应力扩散效果增强,且当预紧力达到200 kN时,在锚索锚固端形成了较好的应力区域,巷道围岩稳定性得以提高,在回采过程中,可以降低因采动影响产生的围岩变形,有效改善巷道超前支护效果。

图2 巷道垂直应力效果

图3 巷道垂直应力剖面效果

2) 锚索间排距分析。锚索间排距方案对比见表2.

表2 锚索间排距方案对比

由图4、图5可以得到,随着锚索间排距的增大,顶板应力集中发生变化,其中当间排距为1 500 mm×900 mm,在顶板岩体中形成良好的应力区域,当间排距增加到1 800 mm×900 mm时,各排锚索之间压力分散更为均匀,围岩稳定性越高,而间排距为1 800 mm×1 800 mm时,尽管形成了应力分布区域,但应力分布不均匀,因此,当锚索排距为1 800 mm×900 mm时,可达到最佳支护效果。

图4 巷道垂直应力效果

图5 巷道垂直应力剖面效果

3) 锚索长度分析。锚索长度方案对比见表3.

表3 锚索长度方案对比

由图6、图7可以得到,在锚索预紧力、间排距相同条件下,随着锚索长度的增加,顶板应力得以扩散,且应力值逐渐增加,当锚索长度为3 300 mm时,顶板所承受的压应力比较小,锚索长度为6 300 mm时,顶板压应力相对较大,形成了应力区域,但应力值相差较大,顶板受力不均匀,锚索长度选用5 300 mm时,顶板应力分布比较均匀,形成较为稳定的岩体,因此,锚索长度取5 300 mm最为合理。

图6 巷道垂直应力效果

综上所述,当锚索预紧力为200 kN,间排距1 800 mm×900 mm,长度5 300 mm时,锚索可以在岩体中形成最佳的应力分布,达到最佳支护效果,对维护围岩稳定性、提高巷道超前支护效果产生积极影响。

2 工程概况

2.1 工作面概况

73907工作面位于南九上组煤盘区,北接南九2号煤胶带巷,南邻杜儿坪断层,东侧为73907工作面采空区,西部为实体煤,工作面上部为72907采空区。73907工作面回采3号煤,工作面内煤层厚度稳定,煤层埋深562 m,平均厚度3.40 m,倾角5°,工作面倾斜长度190 m,可采走向长度1 062 m.煤层顶底板情况见表4.

表4 3号煤层顶底板情况

2.2 巷道支护情况

胶带巷为矩形断面,顶板均采用“锚杆+钢带+锚索+六角金属网”联合支护方式;两帮采用“锚杆+六角金属网支护”。巷道断面支护、支护材料分别见图8、表5.

表5 支护材料明细

图8 巷道断面支护图(单位:mm)

2.3 胶带巷超前支护

图9为73907工作面采用单体液压支柱配合π梁进行超前支护,支护距离30 m,但从现场了解到,其对控制巷道变形效果不理想,存在人工作业强度大、效率低等问题,为此结合我国采煤智能化理念,提出变被动支护为主动支护,即注浆锚索支护。

图9 胶带巷超前支护图(单位:mm)

3 支护机理与施工工艺

3.1 注浆锚索支护原理

注浆锚索属于主动支护,完美融合了锚索支护、注浆技术。浆液在破碎围岩间隙中不断扩散的同时,利用自身胶结力,固结周围破碎、松散岩层。一方面锚索安装后能够及时施加预紧力,为围岩提供支护阻力;另一方面实现了锚索全长锚固,提高了巷道围岩整体性、强度以及自承能力,对控制巷道围岩变形,提高围岩稳定性发挥着不可代替的作用。

3.2 施工工艺

3.2.1 施工参数

73907回采工作面3号煤层顶板包括2.65 m的粉砂岩直接顶和5.25 m的K6中砂岩老顶,根据巷道支护要求,锚索锚固段必须位于稳定岩层,最终确定注浆锚索规格为Φ22 mm×L5 300 mm.

3.2.2 注浆参数

注浆材料质量配比为m(水)∶m(水泥)∶m(注浆剂)=1∶0.5∶0.1,注浆泵型号ZBQ-25/5,工作气压0.5 MPa,排浆压力0～5 MPa.

3.2.3 施工步骤

1) 使用Φ30 mm钻头钻锚索孔,孔深比钢绞线长度少350 mm,并将孔内的岩粉用水或风清理干净;

2) 将树脂锚固剂推到孔底,开动锚杆钻机边搅拌边推进直至孔底,搅拌时间不低于45 s,等待树脂锚固剂凝固后再落下钻机,卸下搅拌连接器,完成锚索的锚固;

3) 依次安装止浆塞、托盘、锚具,并用张拉机具张拉,保证预紧力不低于200 kN;

4) 用注浆接头连接注浆联接口和注浆机;配备注浆液,边加入水泥边搅拌,搅拌转速不小于100 r/min,保证浆料混合均匀后,开始注浆,直至锚索孔口持续出浆或注浆压力达到设计值为止(对于顶板破碎有漏液情况,可分2～3次注浆)。

4 注浆锚索应用与支护效果分析

4.1 现场工程试验

为验证注浆锚索超前支护效果,分三个阶段进行验证,支护区域如图10所示,其中,超前支护第Ⅰ阶段采用单体液压支柱;第Ⅱ阶段采用单体液压支柱、注浆锚索;第Ⅲ阶段均采用注浆锚索,三阶段支护长度均为30 m,锚索规格Φ22 mm×L5 300 mm,间排距为1 800 mm×1 400 mm,每排打设两根,超前支护平面图、现场施图分别如图11、图12所示。

图10 注浆锚索支护区域

图11 支护平面图(单位:mm)

图12 现场施图

4.2 应用效果分析

为验注浆锚索应用效果,运用“十字观测法”对施工段巷道围岩变形进行监测,在第Ⅰ阶段、第Ⅱ阶段以及第Ⅲ阶段各布置1个观测站,每个观测站设置3个测点,依次为1号至9号测点,对各测点表面位移量进行观测,以此判断围岩变形程度,观测点布置如图13所示。

图13 观测点布置图

通过现场观测,整理各观测点的数据,分别见图14、图15、图16.

图14 第Ⅰ阶段围岩位移观测曲线

图15 第Ⅱ阶段围岩位移观测曲线

图16 第Ⅲ阶段围岩位移观测曲线

由图14得知,超前支护采用单体液压支护方式,位移量大小为采帮>顶板>非采帮,三者位移量随距工作面距离的增加而减小。靠近工作面位置,三者位移量最大,分别为225 mm、145 mm、95 mm;距工作面50 m位置,三者位移量最小,分别为32 mm、12 mm、10 mm.

由图15得知,超前支护采用单体液压支柱、注浆锚索联合支护的方式,位移量大小为采帮>顶板>非采帮。靠近工作面位置三者位移量最大,分别为112 mm、86 mm、48 mm;距工作面50 m位置位移量最小,分别为13 mm、7 mm、4 mm.

由图16得知,超前支护采用注浆锚索支护的方式,位移量大小为采帮>顶板>非采帮。靠近工作面位置三者位移量最大,分别为175 mm、95 mm、65 mm;距工作面50 m位置位移量最小,分别为11 mm、9 mm、6 mm.

以上结果表明:受工作面采动影响,巷道围岩会发生一定的变形,但顶板、两帮变形量满足围岩变形安全要求值,断面尺寸满足回采要求,注浆锚索支柱效果较单体液压支柱好,能够有效控制巷道围岩稳定性。

5 结 语

1) 通过对锚岩体应力分析,当锚索预紧力为200 kN,间排距900 mm×1 800 mm,长度5 300 mm时,锚索可以在岩体中形成最佳应力分布,实现最佳支护效果。

2) 通过在杜儿坪矿73907胶带巷运用注浆锚索技术,靠近工作面位置围岩位移量最大,即采帮、顶板、非采帮位移量分别为175 mm、95 mm、65 mm;距工作面50 m位置围岩位移量最小,分别为11 mm、9 mm、6 mm.因此,注浆锚索加固技术对控制回采巷道围岩变形效果明显。