小煤柱動壓掘進巷道控制技術(shù)研究

劉小峰

(山西潞安集團潞寧煤業(yè)有限責任公司,山西寧武 036700)

小煤柱動壓掘進巷道控制技術(shù)研究

劉小峰

(山西潞安集團潞寧煤業(yè)有限責任公司,山西寧武 036700)

針對潞寧煤業(yè) 22106回風巷圍巖特征和維護的技術(shù)難點,模擬研究了煤柱寬度為 6m及動壓對沿空掘巷的影響,掌握了該條件下巷道圍巖變形規(guī)律?；诟哳A應力強力支護理論和控制原則,提出了控制關(guān)鍵技術(shù),利用 FLAC軟件優(yōu)化控制方案,確定了合理的支護參數(shù),并在井下進行工業(yè)試驗。試驗結(jié)果表明支護方案有效地控制了小煤柱沿空掘巷巷道的變形,保證了巷道正常使用。

小煤柱;動壓巷道;沿空掘巷;高預應力

Technology of Controlling Stability of Roadway with Dynam ic Pressure Driven along Small Coal Pillar

小煤柱沿空掘巷巷道處于復雜的礦壓環(huán)境中,巷道穩(wěn)定與煤柱尺寸和巷道的支護技術(shù)都有密切關(guān)系,其變形和破壞規(guī)律難以掌握。為了有效地控制其變形,很多學者都對其變形機理進行了研究,取得了一些重要的研究成果,并成功試驗出很多有效的支護形式[1-3]。但由于采掘接替緊張造成的動壓區(qū)小煤柱沿空掘巷巷道嚴重失穩(wěn)變形,困擾著許多煤礦的生產(chǎn)管理。因此,有必要對小煤柱動壓沿空掘巷巷道圍巖變形規(guī)律和控制技術(shù)進行研究。

1 工程概況及維護技術(shù)難點

1.1 工程概況

潞寧煤業(yè) 22106工作面位于礦井軌道、膠帶、總回風下山西南側(cè),東北部為 22105工作面回風和運輸巷。鄰近的 22104工作面于 2009年 6月底回采結(jié)束,由于采掘緊張,2009年 8月鄰近 22106工作面回風巷開始掘進,此時,22104工作面采空區(qū)圍巖尚未穩(wěn)定,加之 22106回風巷與 22104運輸巷之間凈煤柱僅 6m,22106回風巷掘進屬于沿不穩(wěn)定應力區(qū)內(nèi)的小煤柱掘進。22106回風巷走向長約 1185.27m,埋深 330～380m,沿 2號煤層底板掘進。區(qū)域內(nèi)地層整體為一南東向傾斜的單斜構(gòu)造,2號煤層平均厚度為 5.3m,平均單軸抗壓強度 20MPa。直接頂為灰黑色泥巖,致密性脆,層理發(fā)育,回采時易冒落,2號煤頂?shù)装鍘r性見表 1。2004年在潞寧煤礦進行了水壓致裂地應力測量,最大水平主應力為 14MPa,方向為 N3.9°W。最小水平主應力為 8.74MPa,垂直主應力為 9.45MPa。

表1 2號煤頂?shù)装鍘r性

1.2 維護技術(shù)難點

(1)巷道沿底板掘進,留有頂煤;直接頂板主要為泥巖。煤和泥巖強度低,易風化,巷道開挖后難以維護。

(2)巷道受多重動壓影響。首先采掘緊張造成 22106受相鄰采空區(qū)未穩(wěn)定的動壓影響;其次在相鄰工作面采空區(qū)穩(wěn)定后,其服務期間一直受采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響;還要受巷道本身掘進擾動和本工作面回采動壓影響。

(3)動壓條件下采用 6m小煤柱。煤柱寬度小,受多重動壓影響產(chǎn)生復合應力,該類條件下,沿空掘巷巷道控制難度大。

2 小煤柱動壓掘進巷道圍巖變形規(guī)律

為了研究 21106回風巷圍巖變形規(guī)律,結(jié)合巷道工程狀況、巷道受力特征和煤巖層物理力學參數(shù),建立數(shù)值模型,采用有限差分數(shù)值計算程序FLAC3D軟件,模擬了 6m小煤柱條件下,巷道受鄰近采空區(qū)動壓影響下變形過程,對 21106回風巷開挖后巷道整體和頂、底、兩幫以及掘進方向上應力和位移變化進行分析,其最大位移、垂直和水平應力模擬結(jié)果見圖 1。

圖1 巷道開挖后數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果,分析其變形規(guī)律如下：

(1)巷道開挖后,巷道表面位移增加,其中頂板和小煤柱側(cè)幫的位移值明顯增大,其他區(qū)域位移變化相對較小。

(2)巷道開挖后,垂直應力在巷道兩幫產(chǎn)生應力集中,水平應力在巷道頂?shù)装瀹a(chǎn)生應力集中;煤柱的受力明顯增大,而且應力比較大的地方出現(xiàn)在煤柱的兩個角上。

(3)對巷道進行支護后,應力沒有發(fā)生波動,且很快接近平衡。底板和小煤柱側(cè)幫應力較大,分別為 0.2MPa和 0.3MPa,右?guī)秃晚敯逑鄬π?為0.05MPa;巷道掘進方向位移最大為 40mm,然后趨于穩(wěn)定,巷道掘進方向應力為 0.1MPa左右。

3 控制原則及關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù) 6m煤柱及動壓條件下巷道變形規(guī)律,基于高預應力強力支護理論[4-5],提出小煤柱動壓掘進巷道控制原則和關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 控制原則

(1)高預應力和預應力擴散原則 顯著提高錨桿支護強度與剛度應力的有效擴散,可提高錨固體的整體剛度與完整性。

(2)“三高一低”原則 即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度、剛度,保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下,降低支護密度,減少單位面積上錨桿數(shù)量。

(3)臨界支護強度與剛度原則 錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度與剛度,設計錨桿支護系統(tǒng)的強度與剛度應大于臨界值。

(4)相互匹配原則 錨桿各構(gòu)件的參數(shù)與力學性能應相互匹配,錨桿與錨索的參數(shù)與力學性能應相互匹配,以最大限度地發(fā)揮整體支護作用。

3.2 控制關(guān)鍵技術(shù)

針對 22106回風巷沿空掘巷技術(shù)難點,基于巷道變形破壞規(guī)律及巷道控制原則,結(jié)合該類巷道支護實踐經(jīng)驗,提出該條件下巷道控制關(guān)鍵技術(shù)。

(1)高預應力支護技術(shù) 提高錨桿 (索)初始預應力是控制巷道變形的基礎,施加給錨桿(索)的初始預應力應盡量達到桿體屈服載荷的30%～50%,充分發(fā)揮支護體作用。

(2)控制兩幫來降低巷道頂?shù)装遄冃?巷道兩幫成為控制巷道整體變形 “關(guān)鍵部位”,采用高預應力錨桿保證巷幫支護強度,進而控制底鼓和頂板下沉,保證巷道整體穩(wěn)定。

(3)“錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護技術(shù) 錨桿、錨索有效作用力相互連接、重疊,形成以錨索為骨架,錨桿為連續(xù)帶骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),加上托梁和網(wǎng)對錨桿(索)具有作用力擴散作用,使支護系統(tǒng)對圍巖的主動作用非常明顯。

4 控制方案

22106回風巷掘進斷面呈矩形,寬 3800mm,高 3600mm,掘進斷面面積為 13.68m2。采用數(shù)值模擬分析,確定采用樹脂加長錨固強力錨桿錨索組合支護系統(tǒng)[6],并對多種支護方案進行模擬分析,最終確定支護形式和參數(shù)如下：

(1)頂板支護 錨桿形式和規(guī)格：桿體為φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋,長 2400mm,桿尾螺紋為M24。錨固方式：樹脂加長錨固,采用 2支錨固劑,一支規(guī)格為 K2335,另一支規(guī)格為 Z2360,鉆孔直徑為 30mm。鋼筋托梁規(guī)格：采用 φ14mm的鋼筋焊接而成,寬度 80mm,長 3600mm。錨桿配件：采用高強錨桿螺母M24,配合高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈。托盤采用拱型高強度托盤,托盤大小為 120mm×120mm×10mm,承載能力要求大于 190kN。錨桿角度：錨桿全部垂直煤墻打設,考慮到施工需要,允許 5°誤差。網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬網(wǎng)護頂。網(wǎng)孔規(guī)格 100mm×100mm,網(wǎng)片規(guī)格4200mm×1000mm。錨桿布置：錨桿排距 900mm,每排 5根錨桿,間距為 850mm。錨索：采用φ15.24mm低松馳高預應力鋼絞線,長 7300mm,排距 1800mm,巷中垂直頂板布置,采用 1支K2335,2支 Z2360錨固劑錨固。錨桿預緊扭矩不小于 300N·m,錨索預張拉力不小于 150kN。

(2)巷幫支護 錨桿形式和規(guī)格：桿體為φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋,長度 2400mm,桿尾螺紋為 M24。錨固方式：采用 1支 K2335及 1支Z2360樹脂錨固劑錨固。錨桿布置：錨桿排距900mm,每排 4根錨桿,間距為 950mm。錨桿角度：錨桿全部垂直煤墻打設,考慮到施工需要,允許 5°誤差。網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬網(wǎng)護幫。網(wǎng)孔規(guī)格 100mm×100mm,網(wǎng)片規(guī)格 3300mm×1000mm。錨桿配件：采用高強錨桿螺母M24,配合高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈,托盤采用拱型高強度托盤,托盤大小為 120mm×120mm×10mm,承載能力要求大于 190kN。鋼筋托梁規(guī)格：采用 φ14mm的鋼筋焊接而成,寬度 80mm,長度 3050mm。

5 礦壓監(jiān)測結(jié)果分析

為了驗證巷道控制方案的有效性,在 22106回風巷進行井下工業(yè)試驗,并布置礦壓監(jiān)測站,對巷道表面位移和錨桿錨索受力狀況進行監(jiān)測,其監(jiān)測結(jié)果如圖 2和圖 3所示。

圖2 巷道表面位移觀測曲線

圖3 錨桿 (索)受力觀測曲線

由圖 2可看出：井下實施控制方案后,巷道整體變形小,尤其是底板基本未發(fā)生變形,巷道兩幫最大移近量達到 28mm,其中小煤柱側(cè)幫變形量最大為 20mm;頂?shù)装逡平考s 10mm。圍巖變形主要發(fā)生在巷道掘進的初期階段,變形幅度小。

從圖 3來看,錨桿最大受力 111kN,錨索受力最大為 161kN,錨桿 (索)受力變化較小,與表面位移觀測結(jié)果一致。這主要是巷道開挖初期對錨桿索支護系統(tǒng)施加了較高預應力有關(guān),及時控制了巷道圍巖變形,錨桿初始預緊力平均為 63kN,錨索初始預應力為 156kN。由此可見,高預應力提高了錨桿支護系統(tǒng)的強度和剛度,有效控制了巷道圍巖的變形,設計控制方案能保證巷道穩(wěn)定。

6 結(jié)論

(1)圍巖特征和環(huán)境的差異造成小煤柱沿空掘巷巷道圍巖變形規(guī)律的復雜,針對 22106回風巷巷圍巖特征和維護技術(shù)難點,研究了該條件下巷道圍巖變形破壞規(guī)律。

(2)依據(jù)高預應力強力支護理論和控制原則,結(jié)合圍巖變形規(guī)律,提出控制小煤柱沿空掘巷巷道變形關(guān)鍵技術(shù)：高預應力是控制巷道變形的基礎;控制兩幫圍巖變形是關(guān)鍵,通過控制兩幫來降低頂?shù)装遄冃?進而保證巷道整體穩(wěn)定;采用 “錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護技術(shù)能充分發(fā)揮錨桿 (索)支護系統(tǒng)主動作用。

(3)井下實踐表明,控制方案成功解決了小煤柱動壓掘進巷道支護難題;大幅度提高錨桿(索)預應力,可有效地增加支護系統(tǒng)的強度與剛度,減小圍巖變形與破壞范圍。

[1]林 健,趙英利,吳擁政,等 .松軟破碎煤體小煤柱護巷高預緊力強力錨桿錨索支護研究與應用 [J].煤礦開采,2007,12(3)：47-50.

[2]吳擁政 .強動壓下回采巷道高預緊力強力錨桿支護技術(shù)[J].煤炭科學技術(shù),2010,38(3)：12-14;48.

[3]侯朝炯,郭勵生,勾攀峰 .煤巷錨桿支護 [M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1999.

[4]康紅普,王金華 .煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2007.

[5]康紅普,林 健,吳擁政 .全斷面高預應力強力錨索支護技術(shù)及其在動壓巷道中的應用 [J].煤炭學報,2009,34(9)：1153-1159.

[6]康紅普,姜鐵明,高富強 .預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報,2007,32(7)：673-678.

[責任編輯：于海湧 ]

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1006-6225(2011)01-0064-03

2010-08-17

劉小峰 (1968-),男,山西長治人,在職碩士研究生,高級工程師,現(xiàn)任山西潞安集團潞寧煤業(yè)有限責任公司副總經(jīng)理。