田中春
(山東能源棗礦集團柴里煤礦,山東 滕州 277500)
柴里煤礦3606 工作面3 層煤上分層已開采完畢,3上煤層頂板已全部冒落。現(xiàn)設(shè)計開采3 層煤下分層,63下06 運輸巷即為3 層煤下分層回采巷道,工程量為1 026.627 m,服務(wù)至63下06 綜放工作面回采結(jié)束。3下煤層直接頂為泥巖,厚0.76~4.50 m,平均2.29 m;基本頂為中砂巖,厚5.13~23.64 m,平均11.30 m。3 煤已開采上分層,剩余3下煤厚2.95~11.78 m,平均5.76 m,局部含一至兩層泥巖夾矸,厚0~0.34 m,煤層結(jié)構(gòu)復雜,煤層硬度為2.2~2.5,煤層穩(wěn)定程度為穩(wěn)定,煤層井下標高-63.6~-126.2 m。直接底為泥巖,厚0.40~11.25 m,平均3.12 m;基本底為砂泥巖互層,厚1.32~4.22 m,平均2.11 m。具備開展錨網(wǎng)梯+錨梁支護方式的可行性條件。
井下位于一水平六采區(qū)北部,南為63下03 工作面采空區(qū),西為田崗斷層附近構(gòu)造復雜區(qū),東為63下06 設(shè)計面里,北為未開采區(qū),上部為6305 一分層采空區(qū)。經(jīng)分析,根據(jù)6305 工作面開采期間防塵、長短壁注水等生產(chǎn)用水資料及3 煤頂板砂巖出水情況分析,預計在工作面采空區(qū)內(nèi)存在一定量的采空區(qū)積水,預計積水下限標高-116.5 m,積水量約21 150 m3,對掘進期間的安全存在一定影響。
該礦井為低瓦斯礦井,瓦斯涌出量低,CH4相對涌出量為0.7 m3/t,CH4絕對涌出量為3.72 m3/min;CO2相對涌出量為0.91 m3/t,CO2絕對涌出量為4.81 m3/min。該工作面大部分為砂質(zhì)開放性頂板,不利于瓦斯的賦存。
煤塵具有爆炸性,其爆炸指數(shù)為37.49%,煤層自燃傾向為二類,自然發(fā)火期為48 d,為低瓦斯礦井。本井田地溫為27.5 ℃,井田內(nèi)不受沖擊地壓的影響。
63下06 運輸巷地面標高為+38.56~+40.92 m,井下煤層底板標高為-63.6~-126.6 m。該巷道設(shè)計全長1 026.9 m,上分層已開采冒落。63下06 運輸巷沿3 煤底板在3 煤中掘進,開始施工前400 m 區(qū)段頂煤厚度不大于1.5 m,采用12#工字鋼棚支護。由于頂煤較薄,工字鋼棚幾乎無初撐力,與上分層采空區(qū)構(gòu)成裂隙,帶來了向上分層采空區(qū)漏風的安全隱患。再向前掘進,剩余3 煤下分層煤厚3.1~4.0 m,必然導致工字鋼棚頂與采空區(qū)直接相通,將引發(fā)采空區(qū)高溫,甚至產(chǎn)生發(fā)火危險。以上原因帶來了重大隱患,影響礦井的安全生產(chǎn)。為此,進行此巷道的安全支護優(yōu)化研究,在采空區(qū)下進行錨網(wǎng)支護研究與探索[1-5]。
1)原支護方式采用12#工字鋼梯形棚支護作為永久支護,巷道支護規(guī)格為梁× 腿=3.8 m×3.0 m,掘進荒斷面S荒=14.24 m2,掘進凈斷面S凈=12.69 m2。
2)現(xiàn)采用錨網(wǎng)梯+錨梁支護,巷道斷面為矩形,
凈斷面為寬×高=3.8 m×2.6 m,S凈=9.88 m2,荒斷面為寬×高=4.0 m×2.8 m,S荒=11.2 m2。
1)巷道頂部選用MSGLW-500/18×2400 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿,間排距(850 mm×900 mm)±100 mm,配合使用鋼筋網(wǎng)和鋼筋梯護頂;巷道幫部錨桿使用MSGLW-500/18×2400 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿,間排距為(800 mm×900 mm)±100 mm。
2)金屬菱形網(wǎng)。所使用的金屬菱形網(wǎng)為8#鐵絲編制的金屬網(wǎng),金屬菱形網(wǎng)變形嚴重的不得使用,菱形網(wǎng)的使用見永久支護各斷面支護要求。幫部使用金屬菱形網(wǎng)護幫,規(guī)格為長×寬=2800 mm×1000 mm。菱形網(wǎng)之間零搭接,金屬網(wǎng)后嚴禁充填矸石、坑木。幫部煤體破碎、破泥巖區(qū)域,局部可以使用鋼筋網(wǎng)代替菱形網(wǎng),確保支護效果,鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格為50 mm×100 mm。
3)鋼筋網(wǎng)。頂部鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格要錯格鋪設(shè),鋼筋網(wǎng)使用Φ6.5 mm 冷拔鋼絲焊接成網(wǎng),網(wǎng)格為100 mm×100 mm,鋼筋網(wǎng)規(guī)格為長×寬=4000 mm×1000 mm。鋼筋網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)之間搭茬半格(50 mm),頂部鋼筋網(wǎng)和幫部菱形網(wǎng)之間要搭茬一格。
4)鋼筋梯。頂部使用Φ14 mm 圓鋼焊接,鋼筋梯規(guī)格為長×寬=3800 mm×80 mm;幫部鋼筋梯采用Φ12 mm 鋼筋制作,規(guī)格為一根2000 mm×80 mm、一根1000 mm×80 mm 配合使用。
5)錨索。使用Q1860-Φ17.8 mm×3500 mm 錨索,錨索預緊力不小于100 kN(30 MPa)。錨索托盤:高強球形托盤,Q345B,規(guī)格為300 mm×300 mm×12 mm。
6)錨固劑。錨固劑均使用樹脂錨固劑,頂錨桿使用2 塊K2570 樹脂錨固劑,幫部錨桿使用1 塊K2570 樹脂錨固劑,頂部錨索使用2 塊K2570 樹脂錨固劑。頂部錨桿錨固力不小于10 T,幫部錨桿錨固力不小于5 T。
7)聯(lián)網(wǎng)鐵絲。聯(lián)網(wǎng)鐵絲使用12#鐵絲聯(lián)網(wǎng),長度為350~400 mm,網(wǎng)扣扣扣相聯(lián),網(wǎng)扣不低于3 圈,并將扎絲挽向煤(巖)壁,防止刮人。
8)工字鋼錨梁規(guī)格為12 號工字鋼,長度3800 mm,孔距3200 mm,端孔距端頭的距離300 mm。工字鋼錨梁托盤規(guī)格120 mm×60 mm×10 mm,材質(zhì)Q345B。托盤與錨索頭之間需采取墊皮子等防切斷措施。
1)巷道頂部選用MSGLW-500/18×2400 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿,間排距(850 mm×900 mm)±100 mm,配合使用鋼筋網(wǎng)和鋼筋梯護頂;巷道幫部錨桿使用MSGLW-500/18×2400 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿,間排距為(800 mm×900 mm)±100 mm。如圖1。
圖1 巷道支護斷面(mm)
2)頂部使用規(guī)格為Q1860-Φ17.8 mm×3500 mm 錨索配合錨梁加強支護,錨梁兩側(cè)錨索的安設(shè)角度為45°,每排打設(shè)一組。
3)每隔一排打設(shè)一棵“戴帽點柱”進行加強支護,帽的規(guī)格為長400 mm,寬150 mm,厚度不小于50 mm 的半圓型墊板。打設(shè)點柱滯后迎頭不超過35 m。
切割完成上部斷面裝煤后,將切割頭落至底板,使用前探梁將鋼筋網(wǎng)接至頂板進行臨時維護,然后對頂板進行錨網(wǎng)支護,并根據(jù)錨索間距打設(shè)錨索。對頂板錨網(wǎng)支護后再打設(shè)兩幫上部三棵錨桿,切割下部斷面時,提前將兩幫所使用的菱形網(wǎng)與頂網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)并將肩窩錨桿施工完畢,多余菱形網(wǎng)用1 扎絲捆在兩幫上,嚴禁影響掘進機切割,然后對下部斷面進行切割。為了提高施工效率,在迎頭掘進期間,也可采用分層切割,即:切頂、完成上部斷面切割裝煤作業(yè)后,打頂部和兩幫上部2 根錨桿,繼續(xù)向前切割,打頂部和兩幫上部2 根錨桿,一次允許撇4 排底部剩余錨桿。剩余下部斷面,在切割后整體進行錨幫加固。迎頭最后一排在頂部永久支護后,幫部可預留一排,便于下班幫部切割。
1)每次截割前后、打眼前,要首先進行敲幫問頂;及時使用前探梁進行臨時支護,仔細檢查頂幫圍巖情況,發(fā)現(xiàn)安全隱患及時采取相應(yīng)的整改措施,確保安全再施工。
2)打眼前,先按偏中線嚴格檢查巷道斷面規(guī)格,不符合作業(yè)規(guī)程要求時,必須先行處理。
3)確認安全完畢后,方可開始錨桿支護工作。
4)頂板使用MQT--130 風動錨桿鉆機鉆眼,鉆桿為B19 六棱中空釬桿,長度分別為1200 mm、1000 mm,鉆頭為Φ27 mm 的二翼式金剛鉆頭,打孔深度2350 mm。
5)幫部使用ZQS-50/60 手持式風動幫錨機,釬子為直徑26 mm、長度2400 mm 的麻花鉆桿,釬頭為Φ27 mm 二翼式鉆頭,濕式鉆眼。打孔深度
6)錨桿眼的位置要準確,眼位誤差不超過-50 mm~50 mm,眼向誤差不大于15°,錨桿眼深度與錨桿長度相匹配。
7)錨桿眼打好后,應(yīng)將眼內(nèi)的煤(巖)渣、積水清理干凈(可用錨桿將煤巖粉、積水拉出鉆孔)。打眼、安裝錨桿的順序由外向里,先頂后幫;頂部先打中間眼,后打兩側(cè)眼;幫部先打上部錨桿眼,后打下部錨桿眼。
1)頂錨桿使用錨桿鉆機安裝,頂錨扭矩不小于250 N·m。
2)幫錨桿采用扭矩放大器配合幫錨機安裝并打開阻尼,扭矩不小于250 N·m。
3)頂板錨桿支護時,應(yīng)先進行頂板中間錨桿的打設(shè)(先中間后兩邊),幫部錨桿應(yīng)從上至下打設(shè)。
4)迎頭施工期間,由于綜掘巷道施工循環(huán)進度頻繁,采取集中支護幫部下部錨桿的施工工藝。巷道進行幫錨支護時,先支護幫部中上部2 根錨桿,待本班施工結(jié)束出凈底煤后,集中對幫部余下錨桿進行支護。支護下部錨桿時,巷道最前方1 排幫部錨桿暫不進行支護,以便下一循環(huán)的切割。
5)頂板安裝錨桿方法步驟:
① 首先檢查眼孔的眼位和角度,合格后用錨桿將樹脂錨固劑送入眼內(nèi),使錨桿頂住樹脂錨固劑,錨桿外端套上螺帽。
② 用安好攪拌器的風動錨桿機卡住螺帽,開動錨桿機,使錨桿機帶動桿體利用上推力把樹脂錨固劑推入眼底。在上推樹脂時嚴禁旋轉(zhuǎn)。
③ 然后迅速旋轉(zhuǎn)錨桿攪拌10~15 s,攪拌同時施加上推力,直到錨桿托盤離頂板20 mm 左右。嚴禁把托盤緊貼壓在頂板上。
④ 完成攪拌后停止30 s 左右讓樹脂錨固劑充分凝固,再旋轉(zhuǎn)攪拌器上緊螺母。在緊螺母時應(yīng)給最大扭矩,以最大限度地上緊螺母。
6)幫部安裝錨桿方法步驟:
① 首先檢查眼孔的眼位和角度。安裝前,應(yīng)將眼孔內(nèi)的積水、煤(巖)粉用壓風清理干凈(可使用錨桿將煤巖粉、積水拉出)。
② 合格后,用錨桿將1 支樹脂錨固劑送入眼底,使錨桿頂住樹脂錨固劑,錨桿外端套上螺帽。
③ 用安好攪拌器的幫錨機卡住螺帽,開動幫錨機,對錨固劑進行攪拌15~20 s。攪拌同時施加推力,利用推力推動錨桿直到錨桿托盤距離幫部20 mm 左右,方可撤去幫錨機。
④ 完成攪拌后停止40~60 s 左右讓樹脂錨固劑充分凝固,再利用扭矩放大器對錨桿進行緊固,確保錨桿扭矩符合要求。
錨桿安裝可以總結(jié)為:一推(推樹脂入孔到規(guī)定位置),二轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)攪拌樹脂),三停(停,樹脂完成初凝),四緊(緊固螺母)
7)合格的錨桿安裝應(yīng)該滿足的標準:
① 充填阻尼必須全部脫落,否則錨桿無法達到安裝載荷。② 塑料墊圈必須溶化掉。③錨桿外露螺母長度10~50 mm。④ 用扭矩扳手檢驗,扭矩不能低于250 N·m。
8)錨桿二次預緊,使用扭矩放大器的安全注意事項:
① 使用前必須檢查各連接部位的連接固定情況,確保連接可靠。
② 使用扭矩放大器前,必須把扭矩放大器的安全鏈掛鉤(扭矩放大器把手末端)掛在金屬網(wǎng)上,安全鏈長度不大于200 mm。
③ 在使用扭矩放大器時一定要注意安全,安排一名有經(jīng)驗的職工雙手扶著把手,人員身體部位必須避開扭矩放大器把手的旋轉(zhuǎn)范圍,以防止扭矩放大器轉(zhuǎn)動傷人。
④ 使用扭矩放大器時,盡量使錨桿安裝機具的軸心、扭矩放大器軸心及錨桿軸心在同一條直線上,防止扭矩放大器受力不均而損壞,同時可以提高錨桿的安裝應(yīng)力。
⑤ 使用扭矩放大器時,操作人員之間相互配合好,在指揮扶把人員后對安裝機具均勻加速達到最大轉(zhuǎn)速,直至錨桿扭矩力達到規(guī)定要求。
⑥ 扶把人應(yīng)時刻注意,感應(yīng)鉆具的反扭矩,及時調(diào)整扶把力量,確保把手不脫離。
1)錨索鉆孔軸線與設(shè)計的軸線的偏差角不應(yīng)大于2°。
2)錨索預緊力不小于100 kN。
3)錨索眼深誤差為0~200 mm。
4)錨索外露索具長度為+150~+250 mm。
5)錨索攪拌樹脂藥卷過程中不能停頓,要一次攪拌完畢,絕對不能重復攪拌。
6)錨索安裝48 h 后,如發(fā)現(xiàn)預緊力下降,必須及時補打。
7)張拉時發(fā)現(xiàn)錨固不合格的錨索,必須在其附近補打合格的錨索。
8)錨索托盤與頂板金屬網(wǎng)緊貼,錨索托盤下使用配套鎖具固定。
9)錨索安裝必須按照設(shè)計隨掘進迎頭及時安設(shè)。
1)63下06 運輸巷向前施工時重新調(diào)整巷道施工層位,保證巷道頂煤厚度大于3.0 m 的前提下,破煤層底板掘進施工。必須確保巷道西幫頂部實體煤厚大于3.0 m 才能由架棚支護更改為錨網(wǎng)支護,頂板破碎、掉頂范圍不計入3 m 厚度要求內(nèi)。
2)施工人員要探測頂煤厚度,施工結(jié)果要實名制登記臺賬,以便及時調(diào)整施工層位,確保巷道頂板上部實體煤厚達到3.0 m 以上。打設(shè)探孔后要及時用黃泥進行封堵,防止漏風。
3)施工期間加強觀測,后路頂部出現(xiàn)墜網(wǎng)或壓力顯現(xiàn)頂板離層時,迎頭要立即停止施工,對墜網(wǎng)或壓力顯現(xiàn)區(qū)域扶棚或單體配合花邊工字鋼加強支護?,F(xiàn)場料場需備用不低于10 架棚支護用料。
4)頂部使用規(guī)格為Φ17.8 mm×3500 mm 錨索配合錨梁加強支護,錨梁兩側(cè)錨索的安設(shè)角度為45°,錨索錨入巷道兩幫頂板位置,每排打設(shè)一組,每隔一排打設(shè)一棵“戴帽點柱”進行加強支護。
5)及時對錨桿支護質(zhì)量進行檢測,錨桿錨固力抽樣率為3%,不小于設(shè)計值的90%,每300 根頂、兩幫錨桿各抽樣一組,每組不少于3 根(共不少于9 根)。由質(zhì)量驗收員對支護錨桿進行拉力檢驗,記入測試臺賬。
1)該支護技術(shù)要求對頂幫進行現(xiàn)場觀測,技術(shù)人員每隔50 m 安裝一組壓力表,每組測點分別在巷道頂、幫各安1 塊共3 塊大于20 t 的壓力表,監(jiān)測錨桿受力和巷道變形情況。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,上報生產(chǎn)技術(shù)科,及時調(diào)整支護強度。
2)施工過程中每隔30 m 設(shè)一組圍巖位移量觀測點,在頂板安裝一塊型號為KBW101-200 頂?shù)装逡谱兞縿討B(tài)報警儀,進行頂板位移量觀測。
3)每50 m 設(shè)一個測點,每個測點的頂板離層儀安裝在巷道的頂板上。當頂板下沉量達到100 mm 時,頂?shù)装逦灰屏靠傆嫵^300 mm,及時采取打設(shè)戴帽點柱或套工字鋼棚加強支護,并上報生產(chǎn)技術(shù)科,進行技術(shù)會診,采取更改支護措施。
如圖2 所示,充分采動的范圍常用充分采動角(常用ψ表示)來確定,下山方面的充分采動角以ψ1表示,上山方向的充分采動角以ψ2表示,走向方向的充分采動角以ψ3表示。
圖2 移近量變形圖
1)新型錨網(wǎng)梯索梁支護工藝,可以有效解決工作面與上分層采空區(qū)漏風的問題,杜絕高溫發(fā)火安全隱患。
2)選擇的支護方式既能滿足支護強度,又能做到控制成本,達到效率最大化、工藝最優(yōu)化目的。錨網(wǎng)支護為主動支護,工字鋼架棚支護為被動支護,錨網(wǎng)支護在支護形式上就優(yōu)于架棚支護,且錨網(wǎng)支護后期巷道整改維護較少。工字鋼架棚支護采煤時對工字鋼回收,工序較復雜,安裝、采煤期間比錨網(wǎng)支護危險系數(shù)高。
3)錨網(wǎng)支護保證了支護安全又節(jié)約了成本,大大降低了職工的勞動強度。錨網(wǎng)支護為采煤工序服務(wù),不再回撤工字鋼棚,節(jié)約了大量人力物力。
4)施工期間保證了巷道支護強度,提高了施工進度,節(jié)約了施工成本,至工作面施工完畢,共可節(jié)約人工成本178 多萬元;且為采煤工序提供了大大的便利性,做好了服務(wù),避免了全部采用工字鋼架棚支護,降低了職工的勞動強度,平均減少了3 道工序,每天節(jié)省職工5 人,大大提高了施工效率,減少了工作面的施工時間,保證了工作面的接續(xù)。
通過掘進回采來看,新型錨網(wǎng)梯索梁支護工藝層位控制得當,支護質(zhì)量達到要求,有效地印證了此項工藝技術(shù)可行性。該支護工藝具備可復制性,現(xiàn)在已在柴里煤礦23616 運輸巷、軌道巷,63下06軌道巷等大部分掘進巷道中大范圍推廣使用,且這種支護工藝可以適用于國內(nèi)大部分礦井,具有一定的借鑒意義。