望峰崗礦井回采巷道聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

何禮品

謝一礦望峰崗礦井位于淮南礦區(qū)謝李生產(chǎn)礦井的深部(開(kāi)采標(biāo)高-660 m～-1 200 m),采用綜采工藝進(jìn)行回采,回采巷道斷面大、距離長(zhǎng)。在此情況下,如何設(shè)計(jì)合理的支護(hù)形式,滿足巷道的快速掘進(jìn)與支護(hù),保證巷道的安全使用,避免重復(fù)返修,是每個(gè)工程技術(shù)人員急切解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為此,本文以5121(5)工作面回采巷道為例,針對(duì)回采巷道的賦存條件,分析巷道的支護(hù)特點(diǎn),進(jìn)而提出錨網(wǎng)、桁架錨索配鋼帶、槽鋼等聯(lián)合支護(hù)技術(shù),以期為淮南礦區(qū)類(lèi)似條件回采巷道的支護(hù)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 回采巷道地質(zhì)概況

5121(5)工作面位于51采區(qū)C15煤層,工作面標(biāo)高為-700 m～-780 m,地面標(biāo)高為+25 m～+28 m;北至-780 m中央石門(mén),南至工廣煤柱線。工作面走向長(zhǎng)1 300 m～1 400 m,平均1 350 m,傾斜長(zhǎng)150 m～195 m,平均172.5 m。該塊段位于F12-15斷層和F12-11斷層之間,塊段內(nèi)構(gòu)造較簡(jiǎn)單。煤層呈單斜構(gòu)造,厚0.2 m～ 1.3 m,平均走向 148°,傾向 58°,傾角 21°。

5121(5)工作面機(jī)巷為斜梯形巷道,寬5.0 m,中高3 m,采用綜掘機(jī)施工。直接頂為泥巖,深灰色,細(xì)膩,均一,含植物化石,厚度為2.9 m～4.2 m。老頂為粉砂巖,灰白色,粉細(xì)結(jié)構(gòu),裂隙發(fā)育,厚度為2.0 m～3.0 m,平均 2.5 m。直接底為頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖和C14煤,老底為砂頁(yè)巖,致密堅(jiān)硬,但有滑面和裂隙。

2 支護(hù)特點(diǎn)分析

1)直接頂為泥巖,容易冒落、離層。回采巷道直接頂為泥巖,抗剪強(qiáng)度低,自穩(wěn)能力差,應(yīng)力超過(guò)自身的抗壓強(qiáng)度,易產(chǎn)生塑性變形,如節(jié)理、裂隙發(fā)育、弱面多時(shí),極易冒落。直接頂泥巖層和老頂砂巖層間粘結(jié)力差,內(nèi)摩擦角小,層間物理力學(xué)性能相差懸殊,層間聯(lián)系不緊密,摩擦力小,極易產(chǎn)生離層。頂板暴露后,如果不及時(shí)支護(hù),或者支護(hù)密度不足,支護(hù)阻力不勻等,頂板層間巖石將很容易從節(jié)理、裂隙等弱面間相互滑動(dòng),導(dǎo)致支護(hù)失效,導(dǎo)致巖塊冒落;巖塊冒落后,周?chē)鷰r體在其一側(cè)失去約束,從而向自由方向運(yùn)動(dòng),隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng),漏頂面積增大,繼而向巷幫深部發(fā)展,最后造成老頂?shù)目迓?漏頂范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。2)老頂砂巖層含水,容易分解泥巖,銹蝕支護(hù)材料。當(dāng)頂板有裂隙、構(gòu)造或錨索孔通達(dá)砂巖層時(shí),頂板淋水,造成直接頂泥巖遇水崩解,易冒落;同時(shí)頂板淋水還會(huì)使錨桿和錨索發(fā)生銹蝕,降低錨桿和錨索的承載力。3)典型的深井高應(yīng)力“三軟”巷道。工作面煤巷最大埋深約810 m,屬深井半煤巖巷,而圍巖為煤泥巖互層,頂板為泥巖,底板為強(qiáng)度低的頁(yè)巖,所以該巷道為典型的三軟巷道(以下簡(jiǎn)稱(chēng)三軟巷道)。在高地應(yīng)力作用下表現(xiàn)為強(qiáng)烈的兩幫移近和底臌,特別是下幫由于破底,其受力不均,以及各巖層間力學(xué)性質(zhì)不一致,發(fā)生層間滑動(dòng),低幫側(cè)將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的底臌。4)大斷面斜梯形斷面,高幫側(cè)難維護(hù)。受煤層傾角影響,斜梯形斷面兩幫高差較大,相差約2 m,高幫側(cè)約4 m高,巷道的拐角處易剪切破壞,造成高幫的支護(hù)難度較大。而且,巷道斷面較大(15 m2),大斷面巷道支護(hù)難度較同條件同小斷面的支護(hù)難度大得多。

3 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

3.1 支護(hù)對(duì)策

1)高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)方式。錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)是近幾年應(yīng)用較多的一種維護(hù)方法,它利用支護(hù)體的主動(dòng)支護(hù)和加固圍巖,充分調(diào)動(dòng)圍巖的自身承載作用,起到了一定的效果,國(guó)內(nèi)外支護(hù)實(shí)踐和研究現(xiàn)狀也表明,隨采深加大,需要采用高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)方式。2)錨桿、錨索和錨索桁架復(fù)合支護(hù)技術(shù)及時(shí)強(qiáng)化頂板,防止頂板出現(xiàn)離層和冒落。單根錨索的作用主要表現(xiàn)為將下部錨桿支護(hù)形成的錨固承載結(jié)構(gòu)整體懸吊于深部圍巖中,起強(qiáng)化支護(hù)作用,桁架錨索的錨固段將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點(diǎn)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),利用巷道兩幫煤體上角的圍巖擠壓區(qū),建立強(qiáng)化承載結(jié)構(gòu),形成向上的反力矩,平衡水平應(yīng)力對(duì)頂板巖層的破壞作用,同時(shí)也預(yù)防頂板錨固結(jié)構(gòu)失效時(shí)的突發(fā)垮冒,基于巷道上幫角錨固的錨索桁架系統(tǒng)可以滿足這個(gè)要求,錨固點(diǎn)應(yīng)深入到強(qiáng)化承載拱內(nèi)。3)施加高強(qiáng)的初始預(yù)緊力。由于該礦井屬高地應(yīng)力、巖石易軟化,圍巖的承載力降低,造成支護(hù)難度較大,因此必須增大錨桿和錨索的初錨力,提高支護(hù)體的預(yù)應(yīng)力,增加圍巖的承載強(qiáng)度,防止頂板圍巖松動(dòng)、離層破壞[3]。4)在巷道四個(gè)拐角施工斜拉錨桿或錨索,切斷來(lái)自頂、底兩側(cè)的塑性滑移線,削弱拐彎處的擠壓應(yīng)力,防止薄弱部位的破壞[4]。5)在頂板淋水、破碎帶區(qū)域,調(diào)整錨梁網(wǎng)支護(hù)參數(shù),增加架棚支柱,加強(qiáng)頂板支護(hù),必要時(shí)應(yīng)采取注漿堵水措施。

3.2 支護(hù)方案

1)巷道頂板采用錨桿配M5型鋼帶、10號(hào)鐵絲網(wǎng)和桁架錨索聯(lián)合支護(hù)。錨桿規(guī)格為φ 22 mm×2 500 mm,間排距為800 mm×800 mm。頂板靠高幫側(cè)的第一根錨桿采用與頂板法向偏斜41°布置,相鄰的一根頂板錨桿采用與頂板法向偏斜21°布置,靠低幫側(cè)的一根頂板錨桿采用與頂板法向偏斜10°布置。桁架錨索規(guī)格為φ 17.8×8 000 mm(深入巖體長(zhǎng)度為6 500 mm),每隔2排錨桿布置1套高預(yù)應(yīng)力鋼絞線桁架系統(tǒng),間排距為2 500 mm×1 600 mm;槽鋼長(zhǎng)度為2 900 mm(孔中心距為2 500 mm),鋼絞線通過(guò)14號(hào)槽鋼兩端孔錨入頂板,其靠低幫側(cè)仰傾角為45°,高幫側(cè)迎山角為20°,鋼絞線外端繞過(guò)槽鋼用專(zhuān)用鎖具連接。2)兩幫及底板拐角錨桿采用φ 20×2 500 mm的高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿,高幫間排距為700 mm×800 mm,低幫間排距為820 mm×800 mm。巷道兩幫距巷道底板的底角錨桿俯斜角為30°,兩幫距巷道頂板的仰 斜錨桿仰斜角均為 30°,其余幫錨桿均水平布置,高幫錨桿共布置6根,低幫錨桿共布置3根。同時(shí)高幫采用鋼絞線錨索增強(qiáng)支護(hù),錨索規(guī)格為φ 17.8×5 300 mm(深入巖體長(zhǎng)度為5 000 mm),每隔2排錨桿布置1套錨索,錨索距底板高度為1 250 mm,間排距為 1 500 mm×1 600 mm;槽鋼長(zhǎng)度為1 900 mm,鋼絞線通過(guò)14號(hào)槽鋼兩端孔錨入幫,其上部的錨索的仰傾角為35°,下端的錨索的俯角為 30°。3)在斷層破碎帶附近及頂板淋水等地質(zhì)構(gòu)造情況,采用錨網(wǎng)索和U29梯型棚支護(hù),根據(jù)地質(zhì)條件,U29梯型棚距可適當(dāng)放寬。如果巷道淋水,需采用防水性樹(shù)脂藥卷,同時(shí)考慮噴漿、注漿,以防止圍巖風(fēng)化。4)錨桿安裝的扭矩力不小于150 N?m,預(yù)緊力不小于50 kN,錨固力不小于120 kN;錨索安裝預(yù)緊力不小于80 kN,錨固力不小于250 kN。

4 回采巷道支護(hù)效果

1)巷道變形量小。根據(jù)礦壓觀測(cè),頂板下沉量為300 mm～500 mm,兩幫移近量為200 mm～400 mm,有效控制了煤層的頂和幫。錨網(wǎng)索施加的強(qiáng)大初始預(yù)緊力,將松軟煤層形成一個(gè)整體,加上桁架錨索的懸吊補(bǔ)強(qiáng)作用,保持了巷道的穩(wěn)定性。2)提高了掘進(jìn)單進(jìn)效率。采用聯(lián)合支護(hù)實(shí)現(xiàn)了綜掘快速掘進(jìn),單進(jìn)由過(guò)去的150 m提高到目前的300 m左右,提高了近一倍。3)減低了支護(hù)成本。聯(lián)合支護(hù)成本為2 966.15元/m,其中支護(hù)材料費(fèi)用2 318.75元/m,人工費(fèi)用457.70元/m,機(jī)械費(fèi)用189.70元/m。

5 結(jié)語(yǔ)

1)回采巷道的頂部、高幫側(cè)及頂?shù)装逅慕翘幨窍锏赖谋∪跆?要注意加強(qiáng)支護(hù),防止支護(hù)結(jié)構(gòu)從薄弱部位失效,進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。2)預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索在巷道的支護(hù)初期能對(duì)圍巖施工一個(gè)強(qiáng)大的主動(dòng)支護(hù)抗力,充分發(fā)揮出圍巖的自承能力,符合現(xiàn)代巷道支護(hù)理論。3)錨網(wǎng)、錨索聯(lián)巷支護(hù)使錨固巖體形成一個(gè)整體的承載結(jié)構(gòu),改變了圍巖的受力狀態(tài),提高了圍巖的自身承載能力,能夠有效控制圍巖的變形和破壞,提高了支護(hù)的可靠性。

[1] 宋選民,竇江海.淺埋煤層回采巷道合理煤柱寬度的實(shí)測(cè)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2003,31(3):31-33.

[2] 薛亞?wèn)|,張世平,康天合.回采巷道錨桿動(dòng)載響應(yīng)的數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(11):1903-1906.

[3] 薛亞?wèn)|,康天合.回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)與裂隙分布特征及錨桿支護(hù)機(jī)理研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2000,25(sup):97-101.

[4] 高召寧,孟祥瑞.深井高應(yīng)力軟巖回采巷道支護(hù)對(duì)策[J].煤礦安全,2007(6):69-72.