煤巷锚杆支护技术的分析研究.pdf

文章编 号1003- 5923200401- 0010- 03 煤 巷 锚 杆 支 护 技 术 的 分 析 研 究 单智勇 焦作 工学 院,河南 焦 作 454000 摘 要锚杆支护具有主动及时支护的优点,在生产实践中得到广泛应用,但也存在一定缺陷。本文针对 我国锚杆支护现状、 发展技术、 经济效益和发展方向进行全面的分析研究评价,以推动该技术的全面发展。 关键词锚杆支护;分析研究;展望 中图分类号T D 353.6 文献标识码B 近年来,我国锚杆支护技术发展极其迅速,并 取得了显著的技术经济效益,但发展相对不平衡。 据统计,我国煤巷锚杆支护率平均为 37 ,有些矿 区,如兖州、 邢台 等,煤 巷锚杆支 护率达 95 以 上,而有些矿区仅达 5 ,所以对我国煤巷锚杆支 护技术效果进行分析研究评价,以促进锚杆支护技 术的发展。 1 技术效果研究评价 煤巷锚网支护突破了旧的支护形式和支护理 论,不再是消极地承受围岩压力,而是尽量保持围 岩的完整与稳定性,积极控制围岩的力学性态变 化,限制围岩的变形、 位移和裂隙发展,充分发挥煤 岩的自身支承作用,把围岩从荷载变为承载,变消 极因素为积极因素,这是锚网支护和架棚支护形式 最本质的区别,也是锚网支护大大优于架棚支护形 式的根本所在 [1 ]。锚网支护与矿用工字钢支护相 比,其技术优越性突出的表现在以下几方面 1 改善了巷道围岩支护状况。 锚网支护是主 动支护,它能及时加固围岩,利用围岩自身强度减 少围岩变形。 2 提高了巷道断面利用率。采用锚网支护, 既能有效地控制围岩变形,又极少占用巷道有效空 间,从而提高巷道断面利用率,满足了 “双高” 工作 面综采设备不断更新,巷道断面不断扩大的实际需 要。国内煤巷采用锚网支护后,断面利用率提高了 10 ～17 ,以满足 “双高” 工作面要求。 3 有利于安全生产。 由于锚网支护改变了围 岩的力学性态,防止了巷道的早期破坏及顶板早期 离层,减少了超前维护工作量,且使片帮现象基本 消除。该支护系统在局部锚杆失效后,可通过钢带 或钢筋梯的传递,使整个支护系统仍起作用,保证 安全,同时由于巷道支护状况好,保证了行人畅通, 有利于快速、 安全地组织生产。 4 有利于预防自燃发火。 锚杆支护避免了巷 道掘进冒顶现象,从根本上消除了传统支架支护时 支架上方空洞发火的隐患;特别是沿空巷道,小煤 柱用锚网带加固,提高其自承能力,隔绝了向采空 区的漏风,有效地预防了自燃发火事故; 5 减少了辅助运输工作量。采用锚网支护 后,不需要运输大量的支护型钢及其它辅助材料, 改善了两巷工作环境,减轻了工人劳动强度,加快 了循环进度。 6 极大地改善了综采面端头支护情况,简化 工作面超前支护方式,确保工作面出口畅通,有利 于综采面快速推进,实现高产高效。 2 经济效益与社会效益研究评价 2.1 经济效益评价 煤巷锚网支护大幅度降低了钢材及坑木消耗, 具有显著的经济效益。对于相同断面巷道,其支护 成本大大低于矿用工字钢支护。 以煤巷锚网支护为 例,对工字 钢架棚支 护进行比 较分析,焦作矿 区 2000 年 煤 巷 锚 网 支 护 的加 权 平 均 掘 进 断 面 为 13.23 m 2,加权平均净断面 12.51 m2。 收 稿日 期2003- 09- 25 作 者简 介U单智勇 1966 ,河南 鹿邑 县人,1987 年毕业 于中 国矿大 采矿 工程专 业,任焦 作煤业 集团公 司总 工程师 ,现在读 焦作 工学院 工程 硕士,主持 过省 部级项 目多 项,发表论 文数 篇。 01 2004.№ 1 矿山 压力与 顶板 管理 1 工字钢架棚支护 如采用架棚支护每米巷道成本平均为 1766.3 元。 2 锚网支护 焦作矿区 2000 年全年施工的 4612m 锚网支 护巷道中,排距有 0.7～1.2 m等 7 种,每排锚杆的 数量有 8～15 根等 4 类。 现在按不同锚杆的根数计 算每排消耗费用如表 1,不同排距条件下的进尺及 成本计算如表 2。 表 1 每排不同根数锚杆的支护费用 每 排锚 杆 根 数 15 根14p根13\根83根 耗量 金额 /元 耗量 金 额 /元 耗 量 金 额 /元 耗量 金额 /元 锚 杆15 根419.814 根390.113 根361.08 根260.0 锚固 剂15 支95.414 支89.013 支82.74 支25.44 竹托 盘8 个21.18 个21.18 个21.14 个10.6 铁托 盘15 个45.014 个42.013 个39.08 个24.0 带 梯1 条26.61 条94.11 条94.11 条110 带 网10.4m2114.49.9m2108.99.9m2108.94.5m249.5 联网 丝 2.17k g 7.62.17k g 7.62.17k g 7.61.1k g 3.8 总 计729.9752.8752.8483.3 表 2 不同排距锚杆支护的进尺及成本计算 排距/m每排 锚杆数 /根进尺 /m成 本 元/m 0F.70143701075R.4 0F.7513～ 142060978.6 0F.8013～ 152689915.5 0F.8515422858.7 0F.9013～ 142657815.1 1Z.013～ 141124733.8 1Z.28290402.5 平均867.7 由上表可知,每米锚网支护巷道比工钢架棚支 护 1766.3 元节约 899.0 元。焦作矿区采用锚网支 护每米节约 800～1000 元,焦作矿区平均年锚网支 护巷道达 25000 m 以上,即全矿区每年可节约巷 道支护费用 2～3 千万元。 2.2 社会效益评价 煤巷锚网支护不仅具有显著的技术经济效益, 且具有明显的社会效益。 由于锚网支护材料体积小 重量轻,减少了辅助运输量、 运输环节及材料消耗, 减轻了工人劳动强度。 支护作业全部采用机械化快 速施工,将工人从繁重的支护作业中解放出来。锚 网支护巷道在回采过程中,简化了端头支护和超前 支护,明显改善了端头区域维护状况,保证了安全 生产,有利于工作面的快速推进,为矿井高产高效 创造了良好条件。 同时在顶板管理、 通风防灭火、 辅 助运输等方面减少或消除了安全隐患,极大地改善 了安全生产环境。 3 国内大型矿区煤巷锚网支护技术现有水平评价 国内大型矿区煤巷锚网支护技术的研究具有 以下特点 1 兖州、 邢台、 西山等矿区综放两巷的锚网 支护技术的研究利用了围岩松动圈、 组合梁、 锚固 平衡拱、 支护荷载确定等多种支护理论和方法,采 用了数值分析,相似材料模拟等多种先进手段,先 后在实体煤巷和沿空掘巷中进行探索和试验,取得 成功后大面积地进行了推广,尤其是综放沿空掘巷 的锚网支护技术的研究已达国内国际领先水平。 2 兖州、 邢台等矿区综放工作面切眼及大断 面交岔点,巷道跨度大断面达到几十平方米,其支 护技术的研究及应用取得成功,并推广应用,该项 技术的研究水平和推广应用的范围居国内国际领 先水平。 3 在大埋深、 大地压和煤层特别松软破碎等 困难复杂条件下,解决了综放开采条件下特殊地段 的锚网支护技术,拓宽了锚网支护技术的应用范 围,其研究成果取得显著成果。 4 开发研制的单向左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 具有高延伸率、 等强度等优点,配合球形带销钉螺 母可以实现锚杆的快速安装;开发研制的梯形钢带 撕 裂强度 大于 180 k N ,承载螺 母穿 透强 度大 于 200 k N ,钢带破断强度大于 450 k N ,其性能大大优 于 W 型和反 W型钢带;开发研制的聚氨酯锚固剂 膨胀性强、 锚固力大,尤其适应于煤层松软破碎、 节 理裂隙比较发育的煤体。 新型支护材料的开发属国 内首创。 5 在国产 S100 掘 进机上安装机载锚杆钻 机,实现掘进和打锚杆一体化,在国内兖州、 邢台等 矿区开始应用。 4 煤巷锚杆支护技术发展展望 4.1 理论研究 目前国内外对于锚固参数优化的研究方法一 般是以一定的理论或学说为基础对围岩锚固机理 进行研究,然后进行锚杆支护的参数设计,最后通 过现场工程实际监测的结果,对原设计参数进行改 进 [2 ]。锚杆对围岩所起的加固作用,已得到一致认 同,而对于锚杆加固围岩机理的认识却不尽相同。 由于悬吊、 组合梁与挤压拱等观点仍未能完全 反映出锚杆作用实质,还不能说明现代支护理论的 结构变形让压 这一重要性质,特别是没有涉及到 采动对围岩状态的影响问题,因此给理论和公式的 11矿山 压力与 顶板管 理 2004.№ 1 应用造成了一定的局限性。 因此,为使支护设计具有更高的科学性、 可靠 性,有效的控制围岩变形,确保安全生产,尚需对锚 杆支护机理作进一步的研究和探讨。 4.2 工程质量可靠性 煤巷锚杆支护作业的工程质量有一定的隐蔽 性,顶板破坏失稳一般无明显预兆,一旦发生冒顶 具有突发性,且规模常较大,尤其是综放面巷道,如 支护系统失效将造成顶煤大面积冒落,因而危害严 重。 因此对锚杆支护工程质量可靠性要求更高。 为 了提高其可靠性,除了应加强现场工程质量管理 外,还必须在工程质量控制方面消除人为因素的不 利影响。 其主要途径是通过提高锚杆构件及锚固剂 的质量,并在施工时实现快速安装,实践表明实现 快速安装使锚杆对围岩产生预紧力,形成支护系统 与围岩共同承压,有效保证了支护系统的可靠性。 将不能有效形成支护体系,留下安全隐患。 4.3 支护强度 煤巷锚杆支护主要采用 Φ 18～20 mm金属杆 体,最大锚固力 18 10 4 N ,属于中等强度锚杆,支 护强度仍偏低,随开采深的增加,以及在特松围岩 条件下,支护强度不能满足要求,另一方面为了减 少锚杆间排距,加快施工进度,也需要采用高强度 锚杆。因此锚杆杆体将增加到 Φ 22 mm,锚固力达 25 10 4 N 以上,并实施全长锚固,合理加大间排 距,提高锚杆钻孔利用率即单孔获得最大的锚固 力,以有限的钻孔数量和高强度、 高可靠性的锚杆 形成高强度的支护体系 [3]。 4.4 施工速度 目前煤巷锚网支护综掘速度为 300～400 m/ 月,最高月进 748 m,略低于架棚支护。 这主要是锚 杆间排距太小,且支护工序繁多,临时支护、 打锚杆 眼、 安装锚杆、 铺连网等工序占用时间较多,尚需进 一步优化工序配合,充分发挥综掘效益。其主要途 径是实现掘锚一体化施工,继续发展完善机载锚杆 钻机。并重点引进当前国际先进的掘锚机组,该机 组在全煤平巷掘进锚网支护施工中,平均单进达 800 m/月以上。 4.5 施工机具国产化 目前煤巷锚网支护所用施工机具主要以引进 澳大利亚风动锚杆钻机为主,而国产风动锚杆钻 机,各方面性能同澳大利亚钻机尚有一定差距,主 要表现在可靠性差,平均使用寿命约为引进钻机的 1/3。 国产钻机多为引进钻机的仿制品,技术上无创 新,缺乏赶超意识,因此,如何消化吸收国外先进技 术,并加以提高,推出真正国产精品,同时发挥国产 钻具整体价格低、 配件供应及时、 售后服务方便等 优点,是国内钻具制造业及使用单位的重大课题。 4.6 推行 “三高一大” 国内煤巷锚网支护发展的总体思路是采用高 强度、 高预应力、 高可靠性锚杆,增大锚杆间排距, 减少锚杆支护密度和每米巷道根数,提高钻孔利用 率和掘进速度。 这一思路符合国际锚杆支护发展方 向,与国外先进国家相比,我国煤巷锚杆支护普遍 存在着锚杆强度低,支护密度大等问题,影响了锚 杆支护系统的可靠性,限制了煤巷掘进速度。 对巷道岩性较差的综放煤巷,更宜于采用 “三 高” 锚杆并适当加大锚杆长度,使锚杆顶板结构 具有足够的承载能力,同时适当加大锚杆间排距, 以适应巷道掘进安全、 快速、 经济的高标准要求 [4 ]。 4.7 实现 “五化” 在全面推广煤巷锚网支护技术经验及认真分 析存在问题的基础上,提出了实现 “五化” 的锚网支 护总体目标,即支护材料标准化、 施工技术规范化、 支护设计智能化、 支护形式多样化、 支护技术产业 化。 支护材料标准化即对包括锚杆杆体、 螺帽、 托 盘、 锚固剂、 钢带、 锚索及紧固件、 金属网、 塑料网等 锚网支护材料制定严格而科学的质量标准和检验 标准,以规范支护材料的生产和质量控制,杜绝不 合格产品流入井下。当前重点是发展高强度、 高预 应力、 高可靠性即 “三高” 锚杆,解决相应的关键技 术,如实现快速安装所必需的力矩螺帽,同时制定 相应的标准,淘汰低标准普通锚杆,对支护材料形 成系列,改变分散生产加工的现状,实现高度集中、 系列化、 产业化生产规模。 施工技术规范化即通过制定锚网支护施工技 术规范 [5 ],加强现场技术管理和安全管理,最大限 度地减少人为因素对施工质量的不利影响,使现场 管理有章可循。 支护设计智能化即借助高科技手段,综合国内 外先进支护理论和设计方法,以智能化的方式解决 各类围岩支护条件下实施锚网支护的工程设计问 题,使支护形式、 参数既科学合理,又安全可靠。 支护形式多样经即积极推行锚网、 锚网钢带、 组合锚杆、 锚索等形式多样的支护方式,使支护系 统更趋合理,并提高对各类围岩条件的适应性。 支护技术产业化即逐步改变科研与现场相脱 节的现象,形成科研、 支护材料生产和矿井生产三 位一体的产业化格局。下转第 14 页 21 2004.№ 1 矿山 压力与 顶板 管理