新柳礦工作面開切眼錨桿支護實踐

1.　北翼 1101 工作面開切眼支護狀況

1.1 開切眼支護狀況

　　新柳礦是汾西礦業的主力礦井 , 設計生產能力400kt/a 。北翼是礦井的一個采區 , 布置了 1101 首采工作面。開切眼采用矩形斷面 , 寬 ×高 = 7 1 0m× 2 1 5m, 采用錨網支護。主要支護材料錨桿為< 20mm - M22 - 2000mm 的螺紋鋼錨桿 , 輔助構件使用梯子梁 , 錨索為 < 15 1 24mm - 1 × 7 - 4500mm,

錨桿初始預緊力設計為 100N · m 。1101 工作面開切眼掘進過程中 , 礦壓顯現強烈 , 頂板下沉量大 , 兩幫變形嚴重 , 巷道成形非常差。開切眼貫通后 , 巷道破壞變形更加嚴重 , 局部地段發生了冒頂事故 , 頂板下沉高 110m, 兩幫整體內移。經過多次加強支護 , 設備安裝時進行了反復的整修 , 耗費了大量的人力物力 , 嚴重影響了礦井的安全生產和高產高效。

1.2 支護效果剖析

　　通過井下實地考察調研 , 分析開切眼支護設計方案 , 認為導致巷道支護效果差的主要原因有 :

(1) 采用的錨桿支護強度不夠 , 不能有效控制圍巖變形破壞 ;

(2) 錨桿預緊力極低 , 無法發揮錨桿支護的早期作用 , 致使巷道圍巖出現松動離層 , 進而導致錨桿支護效能大大減弱 ;

(3) 輔助構件一般采用鋼筋梯子梁 , 錨桿的預應力擴散效應低 , 錨桿群的整體支護能力得不到充分的發揮。

2.　北翼 1103 工作面開切眼設計原則

　　針對 1101 工作面開切眼支護現狀 , 分析錨桿支護質量差的原因 , 提出北翼 1103 工作面開切眼的設計原則 :

(1).　增大支護材料強度 　主要是采用加大錨桿直徑來實現 , 把原有錨桿直徑 < 20mm 更換為直徑< 22mm 。提高錨桿支護強度 , 降低支護密度 , 加快掘進速度 ;

(2).　提高錨桿剛度 　由原來的錨桿初始預緊力 100N · m, 增加到 300N · m 。預緊力是錨桿支護質量的關鍵因素 , 高預緊力是實現錨桿主動支護的前提。

(3).　加強錨桿預應力的擴散效能 　把原有的輔助構件梯梁 , 換為 W 鋼帶。通過托板、鋼帶等構件實現錨桿預應力的擴散 , 擴大預應力的作用范圍 , 提高錨固體的整體剛度與完整性 , 充分發揮錨桿群的整體支護能力。

3.　北翼 1103 工作面開切眼支護設計

3.1 　工作面地質概況

　　北翼 1103 工作面走向長 895m, 傾斜長 200m 。所采煤層為太原組 11 號煤 , 煤層平均厚度 4 1 7m,

結構復雜 , 含有 4 層以上夾矸 [0 1 6 (0 115)0 1 3(01 1) 0 1 5 (0 1 08) 1 1 2 (0 105)2 1 1 ], 煤層傾角1 ～ 7 ° , 平均 3 °左右。煤層沒有偽頂 , 直接頂為頁巖 , 層厚 1 1 2m,黑灰色 , 具層理 , 基本頂為 K 2 灰巖 , 層厚 6 1 8m,深灰色、致密、堅硬。

3.2 支護參數

　　開切眼采用二次成巷 , 頂板錨桿桿體采用 22號左旋無縱筋螺紋鋼筋 , 長度 2 1 2m, 桿尾螺紋為M24 。樹脂加長錨固 , 鉆孔直徑為 30mm, 錨固長度為 1300mm 。輔助構件采用 W 鋼帶 , 厚 3mm,寬度 250mm, 先掘部分長度 3 1 4m, 后掘部分長度2 1 6m 。錨桿間排距 800mm × 800mm, 每排 9 根錨桿。錨索采用 < 15 1 24mm, 長度 6 1 3m, 加長錨固 ,錨索每排 2 根 , 距煤柱側為 2 1 5m, 排距為 1 1 6m 。托板規格為 300mm × 300mm × 16mm 。錨桿設計初始預緊力為 300N · m, 采用美國進口的風動扳手施加。

　　煤柱側錨桿采用 < 18mm 普通圓鋼錨桿 , 長度1 1 8m 。樹脂加長錨固 , 鉆孔直徑為 28mm, 錨固長

度為 820mm 。輔助構件采用 W 鋼帶 , 厚 3mm, 寬度 250mm, 長 度 1 1 8m 。錨 桿 間 排 距 800mm ×

800mm, 每排 3 根錨桿。工作面側采用 < 18mm 玻璃鋼錨桿 , 長度1 1 8m 。樹脂加長錨固 , 鉆孔直徑為 28mm, 錨固長度為 820mm 。間排距 800mm × 800mm, 每排 3 根。兩幫錨桿設計初始預緊力為 200N · m, 采用美國進口風動扳手施加。

　　開切眼斷面較大 , 以錨桿支護為主 , 先掘部分貫通后 , 再掘擴幫部分時 , 需加支柱 , 在先掘部分距離煤柱 2 1 8m 的位置架設單體液壓支柱 , 另外在后掘部分距離工作面 2 1 0m 的位置安設單體液壓支柱 , 2 根液壓支柱之間用 2 1 2m 長 π型梁相連接 ,要求單體液壓支柱穿柱鞋 , 以防鉆底 , 支護阻力達到 100kN 以上。

4.　北翼 1103 工作面開切眼支護效果

　　開切眼掘進過程中 , 嚴格按照支護設計進行施工 , 嚴把質量關 , 巷道成形非常好 , 頂板和兩幫基本無變形。為了真實反映巷道支護質量 , 進行了礦壓觀測 , 巷道的表面位移和離層隨掘進的變化情況如圖 1 和圖 2 。

　　從圖中可以看出 , 開切眼頂底板的變形隨著掘進逐漸增大 , 開始增加的幅度比較大 , 但遠離掘進影響區后 , 頂底板的變形趨于穩定。頂板最大下沉量為 120mm, 左幫最大移近量為 160mm, 右幫最大移近量為 140mm, 巷道表面位移非常小 , 有效地控制了頂板和兩幫的變形 , 而且頂板沒有出現掉渣和鼓包現象 , 兩幫也沒有出現片幫現象 , 表明支護效果非常理想。

　　巷道頂板錨固區最大離層量為 7mm, 錨固區外最大離層量為 4mm, 巷道頂板的離層量非常小 ,表明錨桿對控制錨固區圍巖的離層和滑動起到了決定性的作用 , 錨桿提供的錨固力有效地阻止了錨固區內圍巖原有裂隙的擴張 , 防止了新的裂隙的形成和貫通。

　　錨索很好地把錨固區內圍巖與深部穩定圍巖結合起來 , 改善了錨固區內圍巖的受力狀態 , 同時也發揮了深部圍巖的承載能力 , 使得錨固區內外圍巖的變形和離層非常小 , 巷道支護效果良好 , 支護質量得到了保障。

5.　結束語

(1) 提高錨桿的支護強度 , 有效控制了圍巖變形 , 一次支護就能滿足現場使用要求。

(2) 高預應力是實現錨桿主動支護的前提 ,是影響錨桿支護效果的關鍵因素。

(3) 預應力擴散發揮了錨桿整體的支護作用 ,真正體現了錨桿主動支護的作用。