锚网支护新工艺的应用

锚网支护新工艺的应用近年来，随着我矿对系统的不断改造及对采掘机械化水平的不断提高，使回采工作面的单产水平和效率已经有了显著的提高，巷道锚网支护技术也已经得到了全面的推广应用，煤巷已经基本采用了综合机械化掘进。然而，煤巷掘进工作面的单进水平和效率并没有随着掘进机械化程度的发展而得到明显地提高。巷道掘进技术已经成为影响和制约矿井采掘关系及安全高效生产的重大技术难题之一。为彻底扭转采掘接续紧张局面，提高掘进单进水平和质量，加快掘进速度，提高掘进效率，我矿通过与科研院所合作，在锚网支护工艺方面进行了大胆的革新和改进，将我矿的掘进水平上升了一个新台阶。一、项目背景（王家山煤矿核定生产能力275万T/a，年掘进巷道15000m，其中煤巷11000m。长期以来煤巷支护技术一直停留在靠经验支护上，巷道失修率高，尤其是四号井综放工作面巷道受矿压影响失修异常严重，每个回采工作面回风、运输顺槽从开始掘进到工作面回采结束要经过4-5次的维修。给矿井的安全生产、开采成本、工人劳动强度、工作面单产的进一步提高及矿井产能的提升均造成了严重影响。为此，煤巷锚网支护技术革新势在必行）（这部分再加些数据，更有说服力！）锚网支护是通过锚杆对巷道围岩的加固，使巷道围岩处于平衡稳定的状态，从而达到巷道支护的目的。为降低巷道支护费用，提高经济效益，实现顶板安全管理，我矿于2011年对煤巷锚杆支护进行了优化改进技术。通过对巷道断面形状、支护材料、施工工艺的改进，将我矿煤掘巷道失修率控制在10%以下，并逐步达到煤掘巷道无失修率的奋斗目标。二、工程概况（不光是四层煤，把二层煤及一二号井也加上）1、煤体和顶、底板物理力学特征王家山煤矿四层煤为黑色、沥青光泽，条带状结构，有一定量的黄铁矿充填于煤层之间。煤岩成分以半暗煤为主，半亮煤次之，有亮煤条带，煤体相对脆性较大。四层煤的平均单向抗压强度为14.6MPa，煤体普氏硬度系数f=1.5左右，按照煤体强度指标应该属于中硬煤层。但是，煤层的节理裂隙比较发育，煤层部分分层的层理发育、强度较低、分层厚度较大，煤体比较松软，特别是近顶底板附近的煤体层理一般都很发育。当工作面巷道处于这些松软分层中时，造成巷道围岩性质显著变差，掘进当中易发生冒顶片帮，使巷道掘进支护难度加大，对掘进速度影响较大。煤层常见的顶板和底板岩石有泥岩、炭质泥岩、砂岩等，有时也由砾岩和其它岩石组成。顶板和底板岩石的性质主要表现在岩石的强度对综掘机掘进的影响。顶板的稳定性影响着掘进机的割煤进刀尺寸和割煤与支护之间的关系。遇稳定顶板时便于维护，可以适当加大端头的空顶距离，有利于加快成巷速度；如遇不稳定顶板则不易维护，就必须采用短掘短支组织施工，掘进速度会受到较大影响。四层煤的直接顶为灰色深灰色泥岩、粉砂岩，小型斜层理发育，厚度3.8~8m；直接煤层之上还有0.6~1.0m厚的黑色高炭质泥岩，松散后多呈小方块，极易垮落。煤层直接底为厚度0.8~1.2m的灰黑炭质泥岩。由于近煤层的顶底板岩层强度不高，岩体比较松软，当工作面平巷靠近顶底板时，巷道围岩条件较差，掘进支护难度变大，掘进速度会受到较大影响。2、煤层厚度和埋深煤层厚度、煤层稳定性等因素对综放工作面巷道具有重要影响。随着回采工作面向深部转移，巷道地压增大。王家山矿45407、45408综放工作面开采四层煤，煤层厚度在9.5~18.5m之间，开采深度260~380，回采巷道掘进施工时，常出现比较明显的煤爆现象，对掘进机割煤造成一定影响。煤层厚度变化较大，煤层走向也常发生一定幅度的变化。由于综放工作面巷道要布置的尽可能平直，造成工作面平巷在煤层中的具体层位位置经常发生变化，甚至造成工作面巷道方位不得不作一定调整，从而使巷道围岩状况发生变化，影响巷道的掘进速度。3、煤层倾角王家山煤矿综放工作面煤层倾角28°~48°、平均34°，煤层介于倾角煤层和急倾斜煤层之间，属于典型的大倾角特厚煤层。大倾角煤层由于煤层倾角较大，岩石重力作用方向与岩石层理面方向所成的夹角变小，故使重力沿层理方向的作用力大大增加。这就使围岩移动、顶板冒落的形态，以及巷道变形和支架受载的特征等与缓斜煤层不同。大倾角回采工作面巷道无论是沿煤层顶板还是沿煤层底板的巷道，巷道顶、帮都要与煤层斜交，而对于缓倾斜煤层巷道顶基本与煤层平行布置，帮与煤层垂直布置。这样大倾角回采工作面巷道与缓倾斜煤层巷道在支护上就有了明显的不同，有一部分锚杆与煤（岩）层层理的夹角非常小，从而导致锚固力的下降，增加了支护的难度。大倾角煤层赋存的特殊性决定了其巷道掘进与其它巷道掘进在施工工艺、支护参数及技术上的差异。4、地质构造岩层受地质运动的作用，在不同部位会产生一系列的裂隙、小断层、节理等内部小构造、特别是在褶曲轴部往往裂隙、节理发育、煤层暴露后吸水脱落，煤厚度易突变，变厚或变薄，同时其轴部产状变化急剧，掘进中不易支护，易发生片帮及冒顶事故。在1550东二石门以东有一底板凸起地带，走向长约30m，凸起度（底板向南凸起）约1.2~5.8m，给工作面平巷的正常掘进带来了一定困难。断裂构造是地层及矿井中普遍存在的地质现象，大、中型断层在地质勘探阶段或在矿井开拓及生产准备阶段多数都已查明，在实际工作中，落差大于5m的小断层在地质勘探阶段中难以发现，在进行生产开拓及准备阶段有时往往成为不可避免的地质因素。这种小断层对综合机械化掘进工作面的影响因素主要表现在断层落差、断层走向线与掘进巷道迎面的夹角、断层线的长度、断层破碎带宽度等。不同性质的断层，其破碎带大小不一，对围岩破坏程度也不同，同时常在断层两旁产生牵引、揉皱、挤压等现象，导致煤层突增或压薄，煤层突增处易产生煤层偏冒、垮落，使顶板管理困难，容易出现顶板事故，影响掘进单进和安全生产。在45408工作面上水平西部发育一条近似走向的断层，横穿半个工作面，受该断层的影响，1600东一石门~1600东二石门之间及附近，煤层重叠，倾角变缓，煤体破碎，裂隙发育，煤层光泽暗淡，煤质差，所掘巷道压力大。此断层对煤层切割严重，其落差（法向）在3.5~14m之间，性质为逆断层，此断层对45408工作面正常掘进有着明显影响。F4-2断层为F19号断层的次生产物，为正断层，落差（法向）2.5~3M，对煤层连续性破坏较大，对本工作面平巷的正常掘进有一定影响。5、煤岩层的含水性及透水性地下水常来源于各种各样的含水层，由于地层裂隙和受上部及邻近采场采动影响，使含水层与巷道勾通，造成巷道内泥水积聚，使运输系统故障增多，因而还需要增设排水设施来保证生产正常进行。当工作面有大量淋水时，常使底板变软、膨胀、底鼓，尤其是当底板为粘土质岩石时，受水浸往往成为泥状，使综合掘进机下陷，造成掘进机无法行走而死车，在处理过程中会浪费大量的时间、人力和物力而影响掘进的速度。采空区积水（包括充填水）也应给予足够的重视，必须做好探放水工作，否则，极易发生透水事故而造成水淹工作面，甚至于危及施工人员的生命和财产的安全。四层煤的顶底板含水较微弱，对工作面巷道掘进的影响一般不大。但上覆二层煤的44408工作面正在回采过程中，22401工作面已采至1600~1650~1716m标高，两工作面内均有未脱干的灌浆水，其下的4层煤工作面巷道掘进时，部分区段的顶板淋水比较严重，会造成掘进头积水，同时也影响锚杆安装，会对掘进速度有一定的影响。6、巷道围岩类型45408工作面开采深度约为350m左右，因此巷道开挖部位所受的垂直自重应力约为8.3MPa左右。根据现场调查，本区域没有明显的构造应力异常，因此巷道支护应主要考虑围岩自重应力的影响。大倾角综放工作面两道基本为全煤巷道，煤体比较松软，节理裂隙发育，煤体强度较低，而且煤岩层倾角大，巷道断面大，围岩属于软弱岩体，掘进和支护比较困难。综合分析，可以确定该巷道围岩类型为不稳定（Ⅳ）~极不稳定（Ⅴ）类型。因此总体来说，王家山煤矿大倾角综放工作面的巷道围岩状况特殊，围岩稳定性较差，是制约掘进速度提高的一个基本因素。三、理论研究根据不同地质条件正确选择巷道支护形式和参数是保证安全、快速掘进的重要基础。科学合理的锚网索联合支护参数可以在保证支护质量及安全的前提下显著降低锚杆索支护密度，减少锚杆索施工所占用的时间，提高煤巷掘进速度。锚杆强度直接影响着锚固范围内围岩强度的强化程度，进而影响锚杆群作用范围内围岩的承载能力和锚杆的支护效果。采用高强度锚杆支护巷道时，应根据锚杆自身强度及围岩性质等确定各项参数，使用全长或半长树脂锚固，金属网、W钢带或其它材料托板、托盘等护顶（帮），尤其是应力较大巷道，顶板整体性差，节理裂隙发育等地质生产条件复杂的巷道，更应注重锚杆支护系统的强度、钢度等。合理的支护参数选择，可以获得较好的支护效果和安全性，也可适当增大锚杆间排距，减少支护量，从而提高煤巷掘进速度。对于矩形断面巷道，应力集中区域主要分布在巷道两帮上部靠近顶角处，该处是巷道最易发生破坏的地点，也是导致顶板大面积冒落的根源，是支护的关键部位。因此，加强此部位的支护，采取在巷道肩窝处布置带有一定角度的斜拉锚杆等，必要时采用高强度锚索补强，可以提高支护强度，保证巷道的正常掘进，避免因返工维护巷道而增加掘进时间。我矿大倾角综放工作面主要巷道目前均采用综掘，锚网喷锚索联合支护方式。综放工作面运输平巷原设计为矩形断面，采用的支护方案如下:巷道顶部使用8根圆钢锚杆，规格为A3Ф18×2800mm，锚固剂为树脂锚固剂，3卷/孔，第一卷为Ф28×350mm快速凝固型，第二、三卷为Ф28×500mm中快速凝固型。巷道两帮每帮各使用4根，两帮共8根圆钢锚杆，规格为A3Ф18×2400mm，锚固剂为树脂锚固剂，2卷/孔，第一卷为Ф28×350mm的快速凝固型，第二卷为Ф28×500mm的中快速凝固型。锚杆采用矩形布置，锚杆间距为650mm，排距为700mm，锚杆密度为2.1978根/m2，支护强度为2.1978*59.8=131.4kN/m2。巷道全断面铺设12#铅丝编制的菱形金属网，采用MgO2制作的复合材料托板，钢垫板螺母。复合材料托板规格为300×200×50mm。钢垫板规格为150×150×8mm的冷压碟形托盘。运输顺槽巷顶铺挂规格为4900×800mm的金属网，巷道两帮铺挂规格为3000×800mm的金属网。每隔3m布置一对锚索，每对2根，呈矩形布置。锚索规格为Ф15.24×5600mm的高强度低松弛钢绞线，锚索距两帮各为1500mm。锚固剂为Ф23×350mm的树脂锚固剂，5卷/孔，第一卷为快速凝固型，第二、三、四、五卷为中快速凝固型；锚索外部加装长度为600mm的11#工字钢梁短梁。在锚网锚索支护的基础上，再喷射约50mm厚的砼对巷道四周进行封闭。根据现场调查和综合分析，运输平巷原采用的支护方案从支护强度上基本可以满足需要，但巷道变形破坏仍然较为严重（图3.1、图3.2），维修工程量很大。分析认为，原采用的支护方案存在的以下主要问题：1、锚杆密度大，达到了2.1978根/m2，每米巷道22.86根，对提高支护速度的制约较大。两个主要原因导致锚杆密度大，一是锚杆杆体采用Q235圆钢，其材质的强度较低，二是杆体的直径偏小。2、实际主要采用煤电钻打锚杆眼，成孔直径大，劳动强度高，打眼速度慢，是制约支护速度提高的关键因素之一。3、采用常规的锚杆安装方法，工艺复杂，安装速度慢，且安装质量不易保证，是制约支护速度提高的又一关键因素，也对支护质量影响较大。4、由于孔径较大，锚杆的实际锚固长度短，对控制围岩变形破坏不利，影响支护效果。5、根据井下现场调查，原使用的复合材料托板和冷压碟形钢托盘的强度不够，损坏率较高，导致失效锚杆数量较多，对巷道支护效果影响较大。如图3.2~图3.3。6、使用煤电钻或搬手来预紧锚杆，锚杆的实际初锚力（预紧力）比较低，一般仅能达到25~35kN，很不利于及时控制围岩变形。7、由于顶帮超挖比较严重，巷道成形较差，且常出现锚杆间排距过大现象，使巷道的实际支护强度往往下降较多。8、由于煤层倾角大，使巷道顶、帮都要与煤层斜交，这就巷道围岩变形压力与支护体受载不同于一般巷道，但锚杆布置人采用常规的对