李小忠
(山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048021)
在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中,掘進(jìn)和回采是兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來(lái),綜采技術(shù)得到快速發(fā)展,與之對(duì)比的是相對(duì)落后的掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)。為滿足煤礦綜采高效回采,對(duì)巷道成巷速度和服務(wù)期內(nèi)圍巖的穩(wěn)定控制提出了更多要求。目前錨桿支護(hù)由于其具有支護(hù)效果好、成本低、成巷速度快等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于煤礦、隧道以及其他地下工程支護(hù)[1-2]。錨桿支護(hù)發(fā)展于20 世紀(jì)四十年代,經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展,形成了諸如懸吊、組合梁、壓力拱、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化等理論假說(shuō)[3-4]。同時(shí),針對(duì)巷道的不同需求,研發(fā)了機(jī)械、管縫、膨脹、樹脂等多種類型的錨桿。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道支護(hù)問(wèn)題,配套錨索、金屬網(wǎng)、型鋼等材料形成了錨網(wǎng)索、錨架、錨網(wǎng)索架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[5-6]。隨著錨桿支護(hù)理論和技術(shù)的逐漸成熟,對(duì)于一些賦存較好的煤礦,幾乎實(shí)現(xiàn)了全覆蓋。
王坡煤業(yè)3213 工作面位于+690 m 水平二采區(qū),地面標(biāo)高為+1086~ +1230 m,工作面標(biāo)高為+510~+550 m。3213 工作面北部為改造回采段,現(xiàn)已完成回采,南部為北集中回風(fēng)巷,東部為3211 運(yùn)輸順槽,西部為3215 采空區(qū)。3213 工作面整體傾向東高西低,設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1912 m,傾向長(zhǎng)度171 m。工作面開采3 號(hào)煤層,屬無(wú)煙煤煤種,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,煤層平均厚度5.7 m,煤層傾角2°~9°,呈黑色,亮煤為主,具有金屬-玻璃光澤,堅(jiān)硬、性脆,局部煤質(zhì)松軟、破碎,局部含1~2 層夾矸。直接頂為砂質(zhì)泥巖,平均厚度10.68 m,灰黑色,夾薄層泥巖,局部有粗粉砂巖,可見植物化石碎片;偽頂為炭質(zhì)泥巖,平均厚度0.3 m,黑色,質(zhì)軟,含植物化石,隨采掘脫落;直接底為泥巖或細(xì)粉砂巖,平均厚度9.16 m,灰黑、深灰色泥巖夾薄層狀粉砂質(zhì)泥巖,上部含植物化石。3213 運(yùn)輸順槽為工作面進(jìn)風(fēng)巷,掘進(jìn)寬度5.0 m,掘進(jìn)高度3.4 m。
(1)采用具有高強(qiáng)度的錨桿和錨索,在保證巷道足夠支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí)進(jìn)一步減小支護(hù)密度,降低錨桿索施工時(shí)間,提高成巷速度。
(2)采用端部加長(zhǎng)錨固,提高錨桿索錨固系統(tǒng)的整體剛度,增強(qiáng)錨桿索錨固區(qū)域抵抗圍巖變形的能力。
(3)采用高預(yù)緊力錨桿主動(dòng)支護(hù),成巷后進(jìn)行高預(yù)緊力主動(dòng)支護(hù),約束巷道圍巖早期擴(kuò)容變形,強(qiáng)化錨桿錨固控制區(qū)域圍巖力學(xué)性能和完整性。
(4)采用具有一定強(qiáng)度和剛度的支護(hù)組件,提高支護(hù)結(jié)構(gòu)護(hù)表面積和強(qiáng)度,最大程度約束巷道圍巖表面碎脹變形。
(5)根據(jù)巷道具體生產(chǎn)地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)合理的支護(hù)參數(shù),盡可能降低錨桿支護(hù)密度。
(1)高強(qiáng)度錨桿及其構(gòu)件
高強(qiáng)度錨桿選用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋,材質(zhì)為500#鋼材,直徑22 mm,極限拉斷力在255 kN 以上,延伸率不低于17%,配套150 mm×150 mm×16 mm 的高強(qiáng)度拱形托盤。
(2)高強(qiáng)度錨索及其構(gòu)件
目前常用的預(yù)應(yīng)力錨索主要為1×7 結(jié)構(gòu)的鋼絞線,如圖1(a),直徑為15.24 mm 和17.8 mm,存在一定的局限:① 直徑偏小,與鉆孔直徑匹配性差,錨固效果差;② 破斷載荷低,高應(yīng)力環(huán)境下易出現(xiàn)破斷;③ 延伸率低,無(wú)法有效適應(yīng)圍巖變形。為此,需研發(fā)一種具有高強(qiáng)度、延伸率大的高強(qiáng)度錨索,如圖1(b)。高強(qiáng)度錨索為1×19s 結(jié)構(gòu)的鋼絞線,直徑為22 mm,破斷載荷在550 kN 以上,斷時(shí)伸長(zhǎng)率在7%以上。
為保障高預(yù)應(yīng)力有效傳遞至巷道圍巖,充分發(fā)揮錨索的承載性能,需配套采用高強(qiáng)度的錨具和托盤,如圖2。高強(qiáng)度錨具承載性能在614 kN 以上,直徑65 mm,高65 mm。高強(qiáng)度托盤為拱形,具備一定的變形能力,規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm,配調(diào)心球墊,與錨索、錨具配套可充分發(fā)揮強(qiáng)力錨索的支護(hù)性能。
圖1 不同類型錨索結(jié)構(gòu)
圖2 高強(qiáng)度錨具
3213 運(yùn)輸順槽為工作面進(jìn)風(fēng)巷,掘?qū)?.0 m,掘高3.4 m,采用了高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù),具體支護(hù)參數(shù)如下:
(1)頂板支護(hù)。頂板采用高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)。頂板錨桿規(guī)格為長(zhǎng)度2.2 m、直徑24 mm 的BHR500 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋高強(qiáng)度錨桿,間排距1000 mm×1200 mm,預(yù)緊扭矩不低于400 N·m。每根錨桿配套2 支錨固劑,1 支K2335,1 支Z2360,錨固長(zhǎng)度為1.15 m。每排錨桿采用型號(hào)BHW-280-4的W 鋼帶連接,配套150 mm×150 mm×16 mm 的高強(qiáng)度拱形托盤。頂板錨索采用1×19s 結(jié)構(gòu)的鋼絞線,直徑為22 mm,長(zhǎng)度為7.3 m,間排距為 2200 mm×2400 mm,預(yù)緊力不低于250 kN。每根錨索配套3 支錨固劑,1 支K2335,2 支Z2360,錨固長(zhǎng)度為1.97 m,配套規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm 高強(qiáng)度拱形托盤和相應(yīng)錨具。金屬網(wǎng)采用6 mm的鋼筋焊接而成,規(guī)格5400 mm×1200 mm,如圖3。高預(yù)緊力錨桿索形成主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu),形成支護(hù)圍巖統(tǒng)一體,充分發(fā)揮巷道圍巖承載能力。
(2)幫部支護(hù)。幫部采用高強(qiáng)度錨網(wǎng)主動(dòng)支護(hù)。幫部錨桿規(guī)格為長(zhǎng)度2.0 m、直徑24 mm 的BHR500 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋高強(qiáng)度錨桿,間排距1000 mm×1200 mm。金屬網(wǎng)采用6 mm 的鋼筋焊接而成,規(guī)格3300 mm×1200 mm。其余參數(shù)同頂板支護(hù)。
圖3 巷道支護(hù)斷面圖
采用十字監(jiān)測(cè)法監(jiān)測(cè)巷道圍巖移近情況,圖4給出了3213 運(yùn)輸順槽掘出后120 d 的圍巖移近曲線。如圖所示,巷道在掘出后30 d 內(nèi)圍巖變形速度較快,頂板移近速度平均為1.5 mm/d,兩幫移近速度平均為2.0 mm/d;巷道掘出30~90 d 圍巖變形速度有所減緩,頂板移近速度平均0.8 mm/d,兩幫移近速度平均1.2 mm/d;巷道掘出90 d 后圍巖變形趨于穩(wěn)定,巷道圍巖穩(wěn)定后,頂?shù)装遄畲笠平考s97 mm,兩幫最大移近量約141 mm。整體看,巷道圍巖變形均在允許范圍內(nèi),圍巖控制效果良好,表明了高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)的優(yōu)越性和可靠性。
圖4 3213 運(yùn)輸順槽圍巖移近曲線
為充分發(fā)揮圍巖自身承載能力,實(shí)現(xiàn)煤礦巷道快速成巷,提出了高強(qiáng)度主動(dòng)支護(hù)原則,設(shè)計(jì)優(yōu)選了高強(qiáng)度錨桿索材料及其構(gòu)件,主張利用高強(qiáng)度左旋錨桿以及具備高強(qiáng)度、高剛度、大延伸率的高強(qiáng)度錨索形成高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu),有效提高巷道圍巖控制能力,充分發(fā)揮支護(hù)材料承載性能?;诖?,開發(fā)了高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明了高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)的優(yōu)越性和可靠性。