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煤巷锚杆支护技术的新发展

      近几年来,兖州矿业(集团)有限责任公司及下属各矿对于在井下煤巷锚杆支护技术方面存在的问题进行认真分析,与有关单位共同开展了科技攻关,积极应用已有的适用新技术,提出改造方案并进行了实施,有效地保障了煤矿井下煤巷锚杆支护的安全可靠,为矿井高产高效提供了有力的保障。现将有关内容介绍如下。
     1 兖州矿区煤巷锚杆支护技术 
     兖州矿业(集团)公司积极引进国外最先进的煤巷锚杆支护技术,结合兖州矿区的实际进行消化创新,逐步形成了一套完整的技术体系,即设计系统化、机具配套化、监测智能化、施工规范化、材料标准化和系列化,向“安全、快速、高效”方向发展。
     他们从2000年开始研制打直径高强度支护材料,推广应用高强全锚支护系统。锚杆屈服强度大于540MPa,破断强度大于700 MPa,延伸率大于15%,在外形结构上有利于搅拌树脂和提高锚固力。他们针对Φ15.24锚索延伸率低、直径小、不符合“三径”匹配关系的缺点,开发了Φ18高强度大直径树脂锚索,其破断力大于380kN,延伸率大于7%。对于复杂困难条件巷道变形量大、围岩破碎的地点,采用高强度注浆锚索,其破断力达到500kN以上。同时提高锚固剂、钢带和锚杆附件的强度,使其与锚杆的强度相匹配。
     为了准确及时地监测煤巷锚杆支护的信息,实现监测智能化,他们还研制了顶板离层监测系统。该系统具有多种数码显示功能,每变化2mm记录一次,能够同时监测变化的60个位移传感器的顶板离层情况,并且具有临界值报警、半双工通话功能,监测数据可通过电话线传输到地面微机,输出各种变化曲线及图表。此外,还开发了简易的ACLY-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种不同规格的巷道围岩变形仪和测力锚杆,反光膜显示,读数直观,测量精度高。他们与有关厂家合作开发大推力、大扭矩锚杆/锚索两用钻机的研制(推力>10kN、扭矩>200N.m)和大推力、大扭矩的支腿式帮锚杆钻机,大大提高了打眼速度和锚杆/锚索的预紧力。现正着手研制掘锚一体化的联合机组。
     2 神经网络在煤巷锚杆支护设计中的应用
      河南理工大学采用MATLAB的BP神经网络工具箱,建立了矿山巷道围岩主要影响因素与支护形式和支护参数之间的高度非线性BP神经网络模型。通过对算例结果的分析,验证了基于MATLAB的BP神经网络应用于矿山井下锚杆支护设计的可靠性、可行性和高效性,具有一定的推广价值。
     他们选择若干矿井巷道锚杆支护的成功实例作为学习样本,将影响锚杆支护的因素作为输入变量、支护形式和支护参数作为输出变量代入神经网络模型,通过特定的学习算法对样本进行学习,经过网络内部自适应算法不断修正网络连接权值和阈值分布来减少尝试性误差以满足要求。网络通过其连接权值和阈值的调整来记忆所学习过的样本并掌握输入变量和输出变量间的高度非线性关系,然后将巷道的输入变量代入网络,通过网络神经推理计算,与所求问题最接近的学习样本输出模式被回忆出来,从而得到巷道的锚杆支护要求。此项研究运用神经网络建立了矿山井下锚杆支护形式和支护参数设计模型,使支护形式、支护参数等与地质条件和开采技术条件间形成高度非线性映射,在较大程度上克服了以往锚杆支护设计方法的不足。
     他们利用此项课题建立的BP神经网络设计模型对潞安矿业集团公司、兖州矿业(集团)有限责任公司、平顶山煤业(集团)有限责任公司和双鸭山矿业集团有限公司集贤煤矿井下巷道进行锚杆支护设计,对网络运行结果与实际状态相比较验证了这两个模型的可行性和高效快捷性,为下一步研究其它支护方案奠定了基础。实践表明,人工神经网络具有良好的自适应性、自组织性及很强的学习、联想、容错和抗干扰能力等优点,将其引入矿山巷道支护设计可更全面考虑影响锚杆支护参数设计的诸多因素,在输入数据不全的情况下可进行数据联想补缺,实现巷道支护的快速、准确决策。
     3 综放全煤平巷锚杆支护模拟试验研究
     中国矿业大学根据“巷道围岩松动圈支护理论”,以兖州矿区南屯煤矿3上煤层综放工作面全煤平巷围岩条件为基础,对不同动压系数、侧压系数、锚杆支护参数条件下,锚杆支护巷道围岩应力分布、围岩变形及巷道破坏规律进行了模拟试验,对于综放全煤巷道锚网支护设计和应用具有指导意义。
     试验采用真三轴平面应变试验台,分上下、左右、前后6面加载。模拟巷道表面位移及围岩内部应力值,通过位移传感器和微型压力传感器随着加载的过程同步采集,巷道表面的位移由电阻式位移计来量测,围岩深部的最终位移则通过测量绘制在模型表面网格线的变形获得。
     此项研究的结论如下:①矩形巷道顶板中存在着卸压区,卸压区的形成是开巷以后应力转移与集中和巷道顶板在外力作用下发生破坏的必然结果,其大小与侧压的关系密切,侧压大卸压区小,反之亦然。②巷道表面的变形是两帮大于顶底,巷道内部两帮破坏严重,巷角受力较大且薄弱,说明帮、角是矩形巷道支护的重点,特别是顶帮斜锚杆的设置对于防止切顶是必不可少的。③不对称压力作用下的矩形锚网支护巷道松动圈近似椭圆形,长轴垂直于最大的主应力方向。④松动圈理论是综放全煤巷道支护设计的有效方法,根据该理论设计的支护参数在动压参数达到6以上时仍然能够很好地维护巷道的稳定性,而且简单易行。在组合拱厚度相近的条件下,“短密锚杆”比“长疏锚杆”能够更好地控制围岩的变形,但是从技术进步和提高施工速度方面来考虑,锚杆的间排距为2.0m×0.8m是比较好的选择。⑤对大于1.5m的大松动圈围岩来说,金属网对维持巷道的稳定性和提高质量是必不可少的,在可能的条件下应当选用刚度和强度更大的冷拔钢筋网。
     4 应用松动圈理论进行全煤巷锚杆支护
     山东省煤炭科学研究所在研究全煤巷道稳定性和全煤巷道锚杆支护设计原则的基础上,对兖州矿业(集团)公司南屯煤矿和济宁二号煤矿应用松动圈理论进行了全煤巷锚杆支护,取得了很好的技术经济效益。
     南屯煤矿和济宁二号煤矿开采3层煤采用放顶煤采煤法,工作面巷道属于全煤巷道,原先的设计为矿工钢架棚支护,通过对巷道围岩松动圈的观测研究,开展了锚杆支护试验。巷道围岩松动圈的测试采用BA-II型围岩松动圈测试仪和瑞利波探测仪。测试结果表明:南屯煤矿13上04工作面下顺槽巷道的围岩松动圈属于中松动圈,可以按照悬吊理论设计锚杆支护参数;济宁二号煤矿2301工作面运输巷道属于大松动圈,按照组合拱理论设计锚杆支护参数。为了检测锚杆支护的质量和控制围岩的效果,他们还进行了矿压观测,观测内容主要是巷道收敛变形、锚杆受力、拉拔试验等。研究表明,传统的工字钢架棚支护是被动支护,而全煤巷道锚杆支护是主动支护,锚杆支护比工字钢架棚支护控制围岩的效果好。济宁二号煤矿采用工字钢架棚支护的时候顶底板累计移近量为60~100mm、两帮累计移近量为70~150mm,采用锚杆支护时分别减少为11mm和16.5mm,超前支承压力影响范围也由48m缩小到15m。
     此项研究认为:①全煤巷道的顶煤厚度和强度是影响巷道稳定性的关键因素。②锚杆支护的悬吊作用、组合拱作用是同时存在与相互影响的,悬吊作用对中小松动圈巷道处于主要地位;对于大松动圈,巷道顶板大范围不存在稳定岩层,组合拱作用处于主要地位。③全煤巷道受到采面的动压影响,但是动压作用范围不大、时间不长,支护设计应当根据巷道受到静压作用时巷道松动圈的大小来确定巷道的支护形式和支护参数。
     5 利用松动圈进行回采巷道锚杆支护改革
      山东省煤炭科学研究所对莱芜市辛庄煤矿的巷道围岩松动圈进行了测试,利用测试结果提出了新的锚杆支护方案,在3197工作面轨道顺槽进行试验并且取得了成功。
     辛庄煤矿工作面的回采巷道沿着煤层的底板掘进,采用快硬水泥锚杆支护,杆体为Φ14mm×1400mm的圆钢,1卷快硬水泥药卷锚固,锚杆布置垂直于巷道的表面,锚杆的间排距均为800mm×800mm,每排顶板布置3根锚杆、上帮3根锚杆、下帮2根锚杆,使用木垫板和铁托盘。由于煤层的倾角比较大,又没有使用金属网,所以上帮锚杆之间的煤体受到采动的影响容易松动冒落,使得托盘悬空,锚杆便失去了支护的作用;而且,锚杆之间缺乏联系,整体性差,不利于巷道顶板发挥最大的自承能力。
     此项研究系采用BA-II型围岩松动圈测试仪在3195工作面轨道顺槽和1918运输副巷进行的,各个巷道分别进行了4个测区的观测,每个测区分为上帮2个钻孔、下帮1个钻孔进行。现场观测的结果表明,松动圈的最大值和最小值分别为1150mm、1600mm和950mm、900mm。测试是在巷道未受到动压影响下进行的。因此,在支护设计的时候如果不考虑工作面超前维护巷道长期的流变特性,按照松动圈1600mm进行支护设计是合理的。巷道采用锚杆支护,杆体为Φ14mm×1700mm的金属圆钢,每孔使用1卷快硬水泥药卷,锚杆的间排距为800mm×700mm。考虑到上帮的煤体受到采动的影响容易片帮脱落,在巷道的上帮每一排的上半部分加装规格为100mm×2000mm的钢筋梯,中间每隔200mm用钢筋焊接隔开,木托盘的长轴沿着巷道的走向布置。采用新的支护方案以后,巷道顶板及两帮的整体性与稳定性都比较好,顶板平均下沉155mm,两帮相对移近量平均为170mm,巷道断面的平均收缩率仅为7%,不仅保证了巷道锚固的安全性,还减小了巷道通风的阻力。 

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