【关于煤柱锚杆巷道支护设计的研究】 煤矿巷道锚杆支护技术规范

　　摘 要:在煤矿开采过程中,为保证增大回收率,部分巷道需要在煤柱中掘进。这些巷道两边为采空区,支护方式的合理选择,对掘进施工质量及施工进度影响较大。为提高巷道掘进施工质量及施工速度,在不改变掘进方法、不增添新设备、不增加施工人员的前提下,通过分析围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试,提出了合理的锚杆支护设计,在施工的应用中取得了明显的效果。新阳煤业在新102材料巷进行了实地试验,并做好了详细的监测及记录在巷道两帮压力控制上取得了良好的效果,值得推广。
　　关键词:煤柱 锚杆 支护 研究
　　中图分类号:TD353 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(c)-0048-04
　　1 工作面地质概况
　　1.1 工作面概况
　　新102工作面位于新一采区东翼,新102工作面北邻南轨道上山保安煤柱,西邻新104工作面(2006年至2007年已回采9#、10#和11#煤层),两工作面间净煤柱尺寸为30m,南至韩家滩保安煤柱。新102工作面地面标高为+865m～+980m,煤层标高为+580m～+680m,平均埋深约为292m左右,工作面开采太原组10～11#煤合并层,局部开采9#～10#～11#煤合并层,煤层总厚平均7.2m,属复杂结构煤层,煤种为瘦煤,稳定可采。
　　1.2 巷道布置方式
　　新102工作面开采10#～11#煤合并层,由于合并层10#～11#煤直接底为粘土泥岩,遇水膨胀,故将新102工作两巷沿煤层底板布置,顶板为0.1m的标志层,底板留设300mm的浮煤。新102工作面材料巷布置在新102工作面和新104工作面煤柱下方如图1所示,新102工作面材料巷距离上部902工作面煤层采空区净煤柱尺寸约为8m,距离新104材料巷距离22m,此时新102运输巷正好处于工作面保护煤柱应力峰值影响的范围内,故巷道压力很大,巷道维护困难。
　　1.3 巷道围岩条件
　　新102工作面煤层顶底板柱状图如图2所示,新102工作面煤层直接顶是2.0m厚的灰黑色石灰岩,之上为1.75m的灰黑色泥岩,老顶为6.24m的深灰色石灰岩,致密坚硬。工作面巷道底上留300mm左右浮煤,直接底为0.3m的碳质泥岩和0.53m的灰色粘土泥岩,下方为7.41m厚的黑色及灰色泥岩。
　　1.4 地质构造
　　工作面地质结构简单,煤岩层基本为单斜构造区。煤岩层产状为走向北西,倾向北东,另外根据相邻新104工作面知,掘进至切眼附近时,将揭露2条正断层,断层落差不大,预计对掘进不会造成较大影响。
　　1.5 水文地质条件
　　工作面上覆含水层为K2、K3、K4三层灰岩含水层,其水量较丰富,对本工作面掘进有一定影响;新102工作面布置在已采902工作面下方,采空区可能存有一定积水,对掘进支护有一定影响。下伏含水层为奥陶纪石灰岩含水层,其水量丰富,水位标高低于煤层底板标高,故在掘进期间必须准备好足够的排水设施,坚持“有掘必探”的原则,对其进行探放水工作,确保安全生产。
　　工作面最大涌水量为50m3/h,正常涌水量为10～30m3/h。
　　1.6 瓦斯及煤尘特点
　　新阳矿井属低瓦斯矿井,瓦斯涌出情况较少。工作面煤层具有发火倾向和自燃发火现象,发火期为4～6个月。煤尘具有强烈爆炸性,爆炸指数9#煤为18.32%,10#煤为18.7%,11#煤为18.44%。
　　1.7 粘结强度测试
　　采用锚杆拉拔计确定树脂锚固剂的粘结强度。该测试工作必须在井下施工之前进行完毕。测试应采用施工中所用的锚杆和树脂药卷,分别在巷道顶板和两帮设计锚固深度上进行三组拉拔试验。粘结强度满足设计要求后方可在井下施工中采用。
　　2 巷道支护形式和参数选择原则
　　针对新阳煤矿新一采区新102工作面10#～11#煤合并层地质及生产条件,为了充分发挥锚杆支护的作用,提出以下设计原则有以下几点。
　　(1)一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形,避免二次或多次支护。一方面,这是矿井实现高效、安全生产的要求,为采矿服务的巷道和硐室等工程,需要保持长期稳定,不能经常维修;另一方面,这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳,而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆,支护效果会受到显著影响。
　　(2)高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素,是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数,只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护,才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面,要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力;另一方面,通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散,扩大预应力的作用范围,提高锚固体的整体刚度与完整性。
　　(3)“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度(如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度)、刚度(提高锚杆预应力、全长锚固),保证支护系统可靠性的条件下,降低支护密度,减少单位面积上锚杆数量,提高掘进速度。
　　(4)临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度,如果支护强度与刚度低于临界值,巷道将长期处于不稳定状态,围岩变形与破坏得不到有效控制。因此,设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。
　　(5)相互匹配原则。锚杆各构件,包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配,锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配,以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。
　　(6)可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性,有利于井下施工管理和掘进速度的提高。
　　(7)在保证巷道支护效果和安全程度,技术上可行、施工上可操作的条件下,做到经济合理,有利于降低巷道支护综合成本。
　　3 设计原则
　　3.1 支护参数确定原则
　　(1)支护设计确保支护安全,避免在服务期间进行维修或仅进行局部维修。(2)支护参数和支护材料规格具有较好的适应性和施工可行性,由于井下巷道围岩条件变化很大,从支护合理性考虑,可能出现多种支护参数和支护材料规格,但这将不利于巷道施工和管理。所以,尽可能采用统一的支护参数和材料规格。(3)支护设计要在保证支护质量的同时有利于提高巷道掘进速度。(4)在满足前三项原则的前提下,做到经济合理。