大巷掘進(jìn)過(guò)采空區(qū)支護(hù)技術(shù)研究

文/董福凱

山西省煤礦資源整合后，多數(shù)整合煤礦均由2個(gè)以上的小煤礦整合而成，故在巷道掘進(jìn)過(guò)程中過(guò)采空區(qū)現(xiàn)象普遍存在，給安全生產(chǎn)帶來(lái)很大壓力。山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)晉城公司惠陽(yáng)煤礦主斜井井底車場(chǎng)掘進(jìn)中遇小窯采空區(qū)，通過(guò)研究，采用了兩幫料石砌墻，頂板錨桿、錨索、網(wǎng)、鋼帶支護(hù)，全斷面噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)。結(jié)果表明，該支護(hù)技術(shù)的研究應(yīng)用，使主斜井的掘進(jìn)得以安全快速通過(guò)采空區(qū)，并保證了支護(hù)質(zhì)量與效果。

一、工程概況

惠陽(yáng)煤礦年生產(chǎn)能力45萬(wàn)噸，屬兼并重組整合礦井。礦井內(nèi)有原小煤礦1座，采空區(qū)多處。主采煤層15#煤層，煤層厚度1.30～3.60m，平均厚度1.86m，煤層頂板為k2灰?guī)r，巖層厚8.26m，底板為深灰色泥巖。通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，頂板k2灰?guī)r自然抗壓強(qiáng)度平均為41.57Mpa，抗拉強(qiáng)度平均為1.10Mpa，抗剪強(qiáng)度平均為4.72Mpa，初步認(rèn)定頂板灰?guī)r強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。由于采空區(qū)煤層基本采空，故頂板整體下沉0.5～1.5m，壓力較大，但頂板整體性較完好，無(wú)明顯裂隙。

二、巷道布置、斷面及支護(hù)形式

1.巷道布置。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主斜井井底車場(chǎng)沿15#煤層頂板掘進(jìn)，過(guò)采空區(qū)仍沿15#煤層掘進(jìn)，局部進(jìn)行起底挑頂。

2.巷道斷面。斷面形狀為矩形，凈寬5200mm，凈高 3000mm，凈斷面 15.6m2。

3.巷道支護(hù)形式。

①斷面圖

②頂板錨固參數(shù)設(shè)計(jì)

A.頂板錨桿布置密度

式中：q—頂板支護(hù)載荷集度，取39Kpa

K—安全系數(shù)，取2.0

K′—變形載荷系數(shù)，取1.2

F—錨桿設(shè)計(jì)錨固力，取150KN

B.頂板錨桿布置的間、排距確定

C.錨固劑及錨桿的確定

根據(jù)頂板巖層錨固條件，錨固長(zhǎng)度最小為L(zhǎng)0＝0.43m，則藥卷長(zhǎng)度：

式中：L藥—樹(shù)脂藥卷總長(zhǎng)度

K—錨固劑損耗系數(shù)，取K=1.1～1.15

R—鉆孔半徑，取14mm

R錨—錨桿半徑，取10mm

R藥—樹(shù)脂藥卷半徑，取11.5mm

錨桿長(zhǎng)度確定：

L=l1+l2+l3+l4+l5=0.1+0.22+0.6+0.6+0.55=2.07m取2.2m

式中：l1—錨桿外露長(zhǎng)度，取0.1m

l2—黏錨力積聚段長(zhǎng)度，取0.22m

l3—可承載錨固結(jié)構(gòu)厚度，取0.6m

l4—錨固段錨固力未重疊區(qū)高度，取0.6m

l5—圍巖外表面錨固力未重疊區(qū)高度，取0.55m

根據(jù)以上計(jì)算分析，結(jié)合本礦相鄰巷道支護(hù)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)，確定支護(hù)材料規(guī)格參數(shù)為：

頂錨桿采用φ20×2200高強(qiáng)度螺紋鋼，排距1200mm，間距 900mm；設(shè)計(jì)錨固力 150KN，預(yù)緊扭矩150N·m，最小錨固長(zhǎng)度430mm，錨固劑型號(hào)為K2335和Z2355，數(shù)量為各1支；靠緊兩幫的頂錨桿向兩幫傾斜20°，錨桿托盤(pán)選用φ150×8mm高強(qiáng)度沖壓螺形墊片，錨網(wǎng)選用菱形金屬網(wǎng)，鋼筋托梁采用φ16mm鋼筋焊接，寬度80mm，長(zhǎng)度3800mm，沿頂板布置。頂板錨索采用φ17.8×5000mm鋼絞線，排距2400mm，間距2200mm；設(shè)計(jì)錨固力300KN，預(yù)緊力100KN，最小錨固長(zhǎng)度為850mm，每排布置兩根，錨固劑型號(hào)為K2335、Z2360各2支；托盤(pán)選用250mm×250mm×15mm鋼板加工而成。噴射混凝土，要求標(biāo)號(hào)C20，頂板噴厚100mm，兩幫噴厚各50mm。兩幫支護(hù)采用粗料石配合水泥砂漿砌筑，料石規(guī)格為200mm×250mm×350mm砂巖、砂漿標(biāo)號(hào)為C20，砌筑厚度為1000mm，高度為3150mm，基礎(chǔ)深150mm。

三、巷道支護(hù)效果及技術(shù)分析

1.巷道支護(hù)效果：通過(guò)對(duì)巷道表面頂板移近量監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，并對(duì)錨桿、錨索定期檢查，發(fā)現(xiàn)頂?shù)装?，最大移近量均在允許范圍內(nèi)，錨桿、錨索錨固力穩(wěn)定，并能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。噴射的混凝土層受壓均勻，無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，這表明該支護(hù)方式的研究應(yīng)用是安全可靠的。

2.技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析：該種聯(lián)合支護(hù)方式在掘巷道過(guò)采空區(qū)中的應(yīng)用，從根本上改善了巷道圍巖力學(xué)狀況，兩幫料石墻的支護(hù)對(duì)頂板起到支撐作用；厚度的增加，加大了承載的力量，同時(shí)減小了控頂面積；錨桿、錨索的應(yīng)用對(duì)頂板巖層起到了擠壓加固作用，形成了一定厚度的組合加固拱。頂、兩幫全部噴射一定厚度混凝土，一方面起到了加強(qiáng)支護(hù)的作用，另一方面起到對(duì)裂隙、縫隙的填充和密封作用，防止了采空區(qū)的漏風(fēng)及有害氣體的溢出，從整體上提升了礦井的安全生產(chǎn)水平。同時(shí)該支護(hù)方式的研究應(yīng)用也為晉城礦區(qū)整合煤礦過(guò)小窯采空區(qū)支護(hù)提供了良好經(jīng)驗(yàn)。