锚索钢梁在沿空架棚巷道回采超前支护中的应用

1锚索钢梁在沿空架棚巷道回采超前支护中的应用魏兴乐淮南矿业集团张集煤矿摘要本文以张集煤矿1112（3）孤岛工作为例，介绍了在沿空架棚巷道下回采时超前支护中使用锚索钢梁组合支护的施工工艺及应用效果，为沿空架棚巷道超前支护及简化回采作业工序创造了良好条件，取得良好的支护效果及经济效益。关键词沿空巷道U型棚支护超前支护锚索钢梁支护沿空架棚巷道，在回采过程中，受沿空及回采压力双层矿压叠加影响，尤其是在顶板破碎区或地质异常区内，矿压显现强烈，巷道底臌量大，顶板下沉及巷道内挤严重，使用传统的改棚、替棚超前顶板管理工艺，不仅消耗大量的人、财、物，而且难于保证足够的作业空间，严重制约了工作面的安全高效回采。为此，我们将锚索钢梁支护技术引进到架棚巷道的超前顶板管理中加以应用，实施了锚索钢梁锁棚梁超前支护新工艺，取得了良好的支护效果及经济效益。目前，此技术在类似工作面被推广应用。一、工程概况1112(3)工作面位于东一13-1(1)采区，两巷主要采用U型棚支护。该面东邻1113（3）采空区（留设8米保护煤柱，回采结束约9年），南至东一13-1（1）采区主要系统大巷，西为1111（3）采空区（留设8米保护煤柱，回采结束约10年），北以采区边界断层F217为界。1112(3)工作面走向长1962.7m，倾斜长195m，总面积为382726.5m2，地面标高为+17.6～+25.8m，工作面标高为-506.5～-563.5m。工作面顶、底板情况：1）老顶：粉细砂岩，厚度为6.61～19.4m,平均为10.83m。灰白色,致密、块状，硅质胶结，局部相变为砂质泥岩。2）直接顶：泥岩、砂质泥岩，厚度为2.35～4.9m，平均为3.58m。灰色、灰黑色，顶部有13-2煤，厚约0.3m，中间局部夹有1～2层薄煤线，含较多的植物茎叶化石碎片。3）直接底：泥岩,厚度为1.21～5.18m，平均为2.03m。灰色、灰～黑色。4）老底：砂质泥岩，厚度为5.84～13.7m，平均为8.7m。深灰色,局部为泥岩、中部夹有12煤，局部下端含煤线。该面13-1煤层总体构造形态呈一宽缓的背斜，面内次一级的褶曲构造较发育，煤层的形态呈波状起伏，煤层的走向变化较大，煤岩层产状为：倾向40～180°，倾角2～8。根据周边采掘工程及三维地震资料分析，该面及附近范围共有断层15条，工作面内有3条三维地震解释断层。2二、沿空巷道超前支护技术难点分析及技术对策沿空巷道在受回采动压影响前，围岩应力主要受控于采场侧向支承压力的分布，在顶板岩层沿倾向断裂前，沿空巷道处于顶板岩层的“掩护”之下，巷道及其煤柱承受部分顶板压力。架棚沿空巷道经历沿空掘巷后，围岩应力在煤柱—巷道支架—实体煤帮支撑结构体下重新分布并实现平衡，巷道压力和变形处于相对稳定的状态。随着工作面的回采，当沿空巷道进入回采动压影响范围时，原有平衡势必打破，根据类似工作面的回采经验，沿空巷道受回采动压影响距离为超前工作面切眼100米至150米左右，如何在动压影响下加强沿空巷道的超前支护，从而防止沿空巷道及其煤体上方的冒落带岩层的断裂，或减缓它的弯曲、下沉，使巷道始终处于悬伸岩梁的“掩护”之下，是从根本上控制沿空巷道的压力和剧烈变形的重要的技术途径根据1112(3)工作面的地质条件和支护技术分析，超前支护中可以采取的技术对策如下：1、保留原有U型棚支护，不改替棚。充分发挥原有金属架棚的支护作用，仅在端头液压支架支撑范围内，回撤两侧或单侧棚腿。2、转移顶板压力，减缓煤帮承载。通过在架棚巷道两侧或者中间加打走向锚索，用工字钢将棚梁锁定形成组合支护，将顶板岩层的压力转移至巷道围岩深处，从而达到改善巷帮受力的目的。三、锚索钢梁超前支护原理及可行性分析锚索在支护密度较小时，主要起悬吊作用；当达到一定的密度时，起的作用和锚杆相同，对煤岩体起到挤压加固作用。对于破碎顶板，可视为粘结力很小的松散体，在锚索群、钢梁及U型棚共同作用下，锚固范围内的煤岩体形成具有一定承载能力，并适应围岩变形的锚固平衡拱。锚固平衡拱对巷道顶板起到有效的支撑作用。由于锚索的长度比锚杆大的多，所以其形成的锚固平衡拱比锚杆锚固平衡拱的承载力要大很多，完全能锚固到稳定的岩层中，有效控制巷道顶板离层、跨落。为充分发挥锚索的作用应及时调整施工工艺：1）应根据不同的地质条件选择不同的锚索长度。2）重点加强实体煤侧支护强度。锚索钢梁组合超前支护可行性分析如下：1、施工锚索的顶板条件可行性如下：由顶板情况可知：1、使用Φ22mm×6300mm3锚索及工字钢锁U型棚棚梁支护情况下，锚索进入稳定岩层的长度：1）以直接顶最厚的情况4.9m算，去除锚索外露长度300mm（规定不超过300mm），即使用6300mm锚索，进入稳定岩层的长度为：6300-4900-300=1100mm。2）以直接顶平均厚3.58m算，进入稳定岩层的长度为：6300-3580-300=2420mm。由此可知，除直接顶最厚情况外，锚固段长度完全符合规程要求。2、老顶为粉细砂岩，局部相变为砂质泥岩，即除局部相变情况外，老顶岩性完全符合施工要求。2、新工艺与传统工艺支护效果比较情况如下：（1）锚索钢梁锁U型棚棚梁：采用Φ21.8mm锚索，破断力为1770MPa（约为660KN）。施工锚索钢梁时，规定Φ22mm顶板锚索预紧力不小于90KN，锚固力不低于250KN。超前支护4.5m距离范围内的支护强度，按照二排锚索钢梁、每根锚索锚固力平均为250KN（以低值计算）计算：P锚索钢梁=2×4×250=2000KN（2）工字钢（或铰接梁）单体四排挑棚：使用4.5m长矿用11#工字钢做梁，DW型单体做腿，一梁4柱。按照《安徽省煤矿安全质量标准化标准》规定，超前单体液压支柱初撑力不低于50KN（6.4MPa）。超前支护4.5m距离范围内的支护强度，按照四排挑棚、一梁四柱，每根单体支柱工作载荷平均为90KN（实际执行单体压力不低于11MPa）计算：P四排挑棚=4×4×90=1440KN由此可知，P锚索钢梁＞P四排挑棚。因此，从支护强度上看，新工艺比传统工艺的支护强度高近0.5倍。结论：采用锚索钢梁锁U型棚支护新工艺从技术上是完全正确可行的。四、锚索钢梁超前支护参数1）巷道无明显离层及内挤，中间布置一排锚索钢梁，采用一根4.5米长11#工字钢，打四根锚索，锚索规格为Φ22mm×6300mm。2）过钻场或者巷道顶板下沉量大、内挤明显，靠两侧拉条上方布置两排锚索钢梁，分两边在U型棚臂窝处拉条上方施工，每排均采用一根4.5米长11#工字钢，打四根锚索，锚索规格为Φ22mm×6300mm。3）过地质异常区或顶板破碎区，布置三排锚索钢梁，中间一排，其余2排施工在巷道两肩窝处拉杆上方位置。根据巷道实测剖面图，也可以适当加长锚索，如使用Φ22mm4×7300mm。当巷道实体煤侧煤帮内挤明显时，应将中间一排锚索钢梁往实体煤侧偏移，以加强实体煤侧支护强度，防止锚索钢梁因侧向压力过大锚索拔出。4）所有锚索钢梁均为走向布置，一排锚索钢梁锁7～8棚U型棚。5）锚索钢梁必须在工作面采动影响范围之外开始施工，施工时确保顶板无明显离层。一般超前切眼200米施工为宜。方案一在巷道中间打一排锚索钢梁方案三共三排锚索钢梁，中间一排锚索钢梁打在中间或者向侧向变形大一方偏移。方案二共两排锚索钢梁臂窝处棚卡臂窝处棚卡臂窝处棚卡图1锚索钢梁超前支护技术方案五、锚索施工工艺及质量要求按照设计眼位，用单体锚杆钻机和组合钎套按设计的孔深打眼，清孔，向眼内装入3卷Z2360树脂药卷，将锚索送入眼底，用锚杆机卡紧锚索的另一端旋转钻机带动锚索搅拌眼内药卷45秒（送入孔底后搅拌时间不小于15秒），卸下钻机。安装锚索15～30分钟后张拉锚索，给锚索施加预紧力时，张拉压力表读数控制在13～18MPa（90～120KN）以内锚索安装深度为6000mm，安装完后托盘或槽钢梁紧贴顶板，锚索外露部分不超过300mm；检测锚索做拉拔力试验时，张拉压力表读数控制在36MPa（250KN）以内。六、应用效果1、矿压观测（1）对采用传统的套棚、回棚和四排挑棚超前支护方式的巷道的高度、宽度进行连续跟踪测量，将测量所得的巷道尺寸数据进行差值分析后，得到四排挑棚超前支护巷道顶底板和两帮移近量变化（平均值）曲线，如图2所示。5四排挑棚超前支护巷道变形曲线图361.9301.25257.5227.5202.595127.5169.15229.78300.630501001502002503003504000～5m5～10m10～15m15～20m20～25m超前煤壁范围变化量（单位：mm）顶底板移近量两帮移近量图2四排挑棚超前支护巷道变形曲线图同样的，对锚索工字钢梁超前支护范围内的巷道高度、宽度和巷中偏移量进行观测，得到锚索钢梁超前支护巷道变形曲线，如图3所示。锚索钢梁超前支护巷道变形曲线图00040120177.5147.5158.3227.1221.2522.537.551.2586.25805156.9631.522.2528.625.638.928.50501001502002503000～5m5～10m10～15m15～20m20～25m25～30m30～35m35m以外超前煤壁范围变形量（单位：mm）顶底板移近量两帮移近量巷中向工作面侧偏移量图3锚索钢梁超前支护巷道变形曲线图（2）通过对比分析，采用锚索钢梁进行超前支护相较于套棚和四排挑棚超前支护，对于控制巷道高度和宽度变形都明显好于套棚和四排挑棚。尤其是两帮移近量，采用锚索钢梁的超前支护方式后明显低于传统的方式。2、效果评价采用锚索钢梁锁超前支护新工艺后，锚索钢梁就U型棚悬吊在深部的稳定岩层里，控制了顶板离层的速度，避免因软岩层快速变形造成老顶失稳。从保证运顺下出口的高度及断面面积看效果明显，极大地改善了现场的作业条件，减轻了端头作业人员的劳动强度。实施新工艺取得主要成果表现如下：1、有效保证了机头的出煤空间，加强了下出口三角带的顶板管理。实施新工艺以来，从未发生机头高度不够影响出煤的事故。2、下端头由于不再挑棚，大大增加了作业空间。为转载机及行人通道留出了足够的空间。实施新工艺以来，从未发生因巷帮挤压，影响转载机拉移及行人通道不足的情形，生产作业安全有了进一步的保证。63、减化了作业工序，作业效率极大提高。去了端头作业中的窜大棚及回撤铰接梁单体等工序，同时准备进刀步距时不需回撤单体及铁鞋，大大节省了工作量及准备时间4、减轻了生产及准备作业人员的劳动强度，节省了作业人员。采用传统工工艺作业，生产端头作业人员及准备改替棚人员劳动强度较大，容易得腰椎盘突出等职业病，实际生产管理中，适合该项作业的后备人员供不应求。实施新工艺后，将有力缓解此困难局面，同时也大节省了作业人员。5、优化了作业工艺，强化了端头支护强度。既充分发挥了原有U型棚对顶板的有效支撑，又减少了传统工艺中超前回棚后打设贴帮单体及背帮等工序，节约了坑木成本。6、灵活回撤U型棚腿，有利风巷及时冒落填死。煤壁侧棚腿，可以实行根据进刀需要即时回撤，而沿空侧的棚腿在端头支架掩护下利用准备时间回撤，既回撤了支护材料又又利用老塘风巷的及时冒落填死，总的来说，综采工作面沿空巷道，顶板压力大，巷道变形量较大，在U型棚支护下使用传统的替棚后挑棚的超前支护工艺，已经明显不能适应安全高产高效的要求。采用锚索钢梁锁U型棚棚梁超前支护新工艺有力于优化综采作业工艺，实现综采工作面的安全高效回采，特别是对于软岩、沿空及深水平等较难维护巷道的超前支护管理具有非常重要的意义，也是践行“技术经济一体”目标的积极探索。参考文献：[1]钱鸣高,石平五主编.矿山压力与岩层控制.徐州：中国矿业大学出版社,2003.11[2]孙立亚.锚网索支护技术在软煤层综放大断面切眼中的应用.《煤炭工程》2009年06期[3]李伟,白光超,王玉和.锚网索联合支护在大断面托顶煤切眼中的应用.《煤炭科学技术》2010年02期7ApplicationofcableandbarinadvancesupportingofroadwayongoafbyU-steelsupp