大采高综采工作面回采巷道围岩控制的探讨

2022-09-11

大采高综采是指采高在3.5m～5.0m, 工作面使用大功率刮板运输机出煤, 双滚筒采煤机割煤至采煤厚度, 用液压支架控制顶板的综采技术。大采高综采与其它采煤技术相比具有的煤炭资源回收率高、采出的煤炭含研率低等优点, 使得在许多具备相应条件的情况下采用大采高综采成为首选。大采高综采工作面回采巷道围岩稳定性控制技术研究, 不仅丰富了大采高工作面巷道围岩稳定性控制的理论和实践, 而且将促进煤矿尽快实现高产高效。

1 支护方案选择

回采巷道在服务期内会受到工作面采动的影响, 要想充分利用围岩的自承能力, 支护类型应选择对围岩具有主动控制能力的锚杆支护形式, 且锚杆及其布置参数要以在围岩中形成整体锚固结构为原则。

鉴于支护对象结构的特殊性, 锚杆支护需要辅以金属网、w钢带及钢筋托梁, 并在巷道顶板用锚索支护进行补强。金属网的作用主要是防止锚杆间的破碎岩块掉落, W钢带及钢筋托梁的作用是对锚杆间的围岩施以径向约束, 以增加锚固结构的厚度和承载能力。另外, 当次生承载层发生失稳时, 网带或钢筋托梁和倾斜锚杆构成的组合支护系统还可以阻止破坏岩层跨落。

支护方案:锚杆+金属网+W钢带 (顶) +钢筋梯 (帮) +锚索补强联合支护。

2 支护参数设计

2.1 锚固形式

可选用的锚固形式有全长锚固和端头锚固两种形式。全长锚固与端头锚固相比, 在技术上有如下优点。

(1) 全长锚固的锚杆可以大大降低巷道围岩的变形量。对于三交河煤矿, 在锚杆锚固范围内无稳定与坚硬岩层。巷道开挖以后, 如果没有垂直层理方向的有效约束, 围岩将会产生离层或滑移, 最终导致冒落。

(2) 全长锚固时锚杆的受力状态好, 其工作阻力沿锚固范围的全长作用, 锚杆锚固的每一部分都对围岩提供支护力, 提供给锚固范围内围岩的总支护阻力倍增, 因而可大大增加其层面和其它弱面上的C小值, 抑制围岩的碎胀和膨胀效果好;而端头锚固锚杆的工作阻力只作用在锚杆的两端, 容易引起锚杆在孔口因长期高压应力状态断裂, 并使锚杆的托板受力增大, 引起孔口表面岩层被“压酥”而破坏, 使锚杆的支护力降低, 因而失去或减小锚杆对围岩的控制能力。

(3) 全长锚固不仅使锚杆具有较高的锚固力, 而且可以增强锚杆的抗剪能力。围岩受垂直层面方向的应力作用时, 在层面剪其它弱面间产生相互错动, 将使弱面间的粘聚力丧失, 进而使弱面间产生滑移和破坏。

总之, 全长锚固锚杆支护系统比端头锚固锚杆的优点突出。一般在顶板较完整、稳定, 且应力 (特别是水平应力) 不大的巷道中采用端头锚固锚杆;在困难和复杂条件下应采用全长锚固。考虑到回采巷道受到工作面的采动影响, 因此采用全长锚固形式。

2.2 锚杆长度

从整个支护体系来看, 锚杆长度不能太短, 太短就使整个锚杆加固的锚固体厚度过小, 强度较低, 不利于系统的稳定, 而且锚杆长度增加后还有可能适当加大锚杆间、排距。使用全长粘结式锚杆, 锚杆长度增加时, 对巷道的支护效果是比较明显的。结合巷道围岩稳定性分类所推荐的支护方式及理论计算, 顶锚杆长度取2.4m, 帮锚杆长度取2.0m。

2.3 锚杆直径

从支护效果上看, 锚杆直径的变化对巷道围岩变形的控制明显, 锚杆直径越大, 对围岩变形的控制能力越大。对于三交河煤矿的回采巷道, 由于要加固围岩形成整体锚固结构, 所以应优先选用大直径锚杆。为制造方便, 顶板和两帮锚杆的直径可统一选择为22mm。

2.4 锚杆强度

锚杆的强度取决于锚杆的材质、直径及有关附件。设计采用新型高性能预应力左旋无纵筋螺纹全锚锚杆, 其特点体现在以下几方面。

(1) 锚杆材质优良:杆体由专用左旋无纵筋罗纹钢构成, 强度高, 并具有一定的延伸量, 杆体外纹理可以直接满足锚固的基本要求。

(2) 研制了快速安装螺母, 具有快速安装结构, 能够实现机械安装。

(3) 减磨效果突出, 能够实现锚杆的高预应力, 并能直观反映锚杆安装质量。

(4) 研制了高强度、经济实用的梯形钢带, 锚杆、托片、钢带等附件或组合件的力学和几何性能匹配。

实践表明, 该种锚杆具有使用安全可靠、施工可靠性高, 便于安装的结构实现了机械安装一体化、技术经济效益明显, 使用范围广泛等优点。

2.5 钻孔直径与树脂药卷直径

药卷直径、钻孔直径和锚杆直径三者是否合理匹配, 直接影响锚杆的锚固效果和支护的安全可靠性与经济合理性。

实验室实验结果以及大量工程实践表明, 钻孔直径与锚杆直径之差为6mm～10mm时, 锚杆的锚固效果良好, 相差7mm～8mm为最佳, 据此可确定钻孔直径为28mm。

树脂药卷本身具有一定的柔度, 尤其是全长锚固时其柔度更大。为保证树脂药卷完全填满预定的钻孔空间, 孔内需要一定的树脂药卷, 若树脂药卷直径较小, 则需要的长度就大, 装入就麻烦。经采矿界多年的综合研究与实践得出的结论是:树脂药卷的纸浆一般应比钻孔直径小3mm～6mm;根据前面钻孔直径的选择情况, 可以确定选用的树脂药卷直径为23mm。

2.6 W钢带

钢带是煤巷锚杆支护中的一种性能优越的锚杆组合构件, 它可将单根锚杆联结起来组成一个整体承载结构, 显著提高锚杆支护的整体效果。钢带一般由薄钢板压制成W型, 钢带上有安装孔, 孔形状为圆形或椭圆形。

3 结语

锚杆材质可选择为20MnSi左旋无纵筋螺纹纲, 直径22mm。顶锚杆长度2.4m使用6根, 预紧力100kN;帮锚杆长度2.0m, 使用8根, 预紧力40kN。顶锚杆配厚10mm的20MnSi钢碟形托板, 两帮锚杆配厚8mm的20MnSi钢平板托板。采用全长锚固或加长锚固方式。W钢带可选BHW-250-3.0型。钢筋梯由直径18mm的钢筋焊接而成。锚索由7股φ5mm高强度钢绞线组成, 锚索索具要求与钢绞线配套, 使用直径23mm快速树脂锚固剂锚固;每隔2.0m在顶板中央安装2根, 预紧力100kN。金属网由4mm铁丝编制。顶板金属网长5000mm, 宽1000mm;两帮金属网长4000mm, 宽1200mm。

摘要：探讨了煤矿大采高综采工作面回采巷道围岩稳定性控制方案, 分析了支护方案选择, 详细阐述了锚固形式、锚杆长度、锚杆直径、锚杆强度等支护参数设计, 不仅丰富了大采高工作面巷道围岩稳定性控制的理论和实践, 而且将促进煤矿尽快实现高产高效。

关键词：大采高,支护参数,支护方案,巷道围岩控制