郝文敏
(山西汾西正文煤業(yè)有限公司,山西 呂梁 032300)
我國厚煤層占比40%以上,綜放開采是厚煤層開采的重要開采技術(shù),在條件適宜的情況下能取得良好的經(jīng)濟效益與社會效益,是一種高產(chǎn)、高效、安全、低耗的采煤方法。采用綜放開采技術(shù)時,一般沿煤層底板開掘工作面軌道巷、皮帶巷和回風(fēng)巷,巷道的頂板和兩幫全部為煤體,為全煤巷道。這類巷道是為綜放工作面采煤服務(wù)的,稱為綜放回采巷道。新《煤礦安全規(guī)程》要求綜采工作面運輸巷的凈斷面不小于12 m2,以及對應(yīng)用放頂煤綜采技術(shù)的高效工作面在煤炭運輸、通風(fēng)等方面的特殊要求,綜放回采巷道的斷面往往很大。加上綜放回采巷道的圍巖為松散、破碎的煤體,因此,一般情況下巷道維護極其困難。
綜放開采的研究中,對綜放頂煤放頂冒放性研究較多,而對綜放綜采中的工作面護巷煤柱和回采巷道穩(wěn)定性研究的較少。綜放巷道多為煤巷,在綜放強采動、大采高影響下,上覆巖層運動劇烈,波及范圍與影響程度增加,綜放巷道頂板易發(fā)生非連續(xù)性、非協(xié)調(diào)大變形。而為滿足綜放生產(chǎn)面運輸、通風(fēng)、行人需要,必須保持巷道斷面面積,故此要明確綜放巷道破碎頂板支護機理,對此類巷道的支護具有重要的理論意義和工程實用價值。從綜放巷道圍巖控制論角度分析,巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律、巷道圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)特征及巷道支護方案與支護參數(shù)的合理性是影響巷道圍巖穩(wěn)定性、巷道圍巖變形量大小的三大關(guān)鍵影響要素。綜放破碎圍巖采用傳統(tǒng)支護,錨桿索會出現(xiàn)錨固力降低,甚至脫錨現(xiàn)象,對于破裂圍巖,特別是綜放開采強采動破碎頂板,破裂圍巖難以對錨桿索施加有效預(yù)應(yīng)力,這就需要采用注漿技術(shù),增強圍巖自承載強度。
在破碎頂板支護中采用中空注漿錨索改善破碎圍巖自承載性能,實現(xiàn)錨桿索與圍巖錨固一體化的控制理念,破碎頂板只采用錨桿、錨索支護后,難以在淺部與深部圍巖形成以錨桿錨索錨固端為邊界的壓應(yīng)力區(qū),此時錨桿錨索只形成局部的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu),局部范圍增強淺部與深部圍巖的承載能力,如圖1所示。
圖1 破碎頂板注錨一體化Fig.1 Grouting and anchoring integrated control for broken roof
(1)錨桿索周邊破裂圍巖是近零壓力區(qū),注漿對破碎頂板裂化部分進行修復(fù),注漿加固增強破碎頂板錨桿索預(yù)應(yīng)力場中有效壓應(yīng)力的擴散范圍。注漿、錨桿、錨索與破裂圍巖構(gòu)成支圍一體結(jié)構(gòu),注漿液修復(fù)破裂圍巖整體結(jié)構(gòu),注漿液在破裂圍巖中擴散開,沿破裂圍巖破裂滑移面延伸并形成多支樹杈狀分布,增強與圍巖整體結(jié)合范圍。
(2)凝固注漿液、錨桿及錨索組合形成支護整體架構(gòu),對頂板圍巖中裂化滑移面、切向與徑向拉伸破壞、剪切破壞形成限定,抑制圍巖裂化擴展導(dǎo)致錨桿索錨固力降低或失效,減免破裂圍巖自由面加大發(fā)生頂板災(zāi)變。
(3)頂板破碎狀態(tài)下,頂板圍巖淺部與深部裂隙寬度及裂化程度分布不同。淺部圍巖裂化不僅增大了頂板的自由面,還將造成錨索預(yù)應(yīng)力釋放,降低錨索支護強度;深部圍巖裂化,直接導(dǎo)致錨索錨固承載層的缺失,懸吊作用的失效。選用高強中空注漿錨索,其注漿壓力可以通過理論計算獲得,基于達西定律的注漿壓力P的理論計算公式為:
式中:μ為注漿液體流動粘度,為1.17×10-8;Q為單位時間內(nèi)注漿量,為40 L/min;r為注漿孔半徑,取0.05 m;R為注漿擴散半徑,取0.97 m;h為注漿的巖層厚度,取值為4.5 m;K為巖層滲透系數(shù),取值為70×10-12~60×10-12m2;PR為漿液擴散至R時的壓力,取值為0.1~0.2 MPa。通過計算可得出注漿壓力為1.2~1.5 MPa。工程實踐中要求考慮到注漿壓力與注漿高度關(guān)聯(lián)性,注漿壓力較高時,漿液出現(xiàn)在采空區(qū)層位,易出現(xiàn)跑漿問題。在工程實踐中,注漿壓力為1.2~1.5 MPa時,注漿錨索附近0.5~1 m打孔觀測注漿漿液覆蓋高度,判斷注漿高度與注漿壓力的合理性。
工作面位于一采區(qū)西翼軌道巷北部,開采10+11號煤層,基本頂為7 m厚的k2堅硬石灰?guī)r,裂隙發(fā)育,富水性弱—中等。根據(jù)以往地質(zhì)條件,受上方采空影響,老頂下沉破碎,直接頂為1.0 m厚的泥質(zhì)巖層理均為水平層理,顏色灰黑色,泥狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)極細粒。工作面上方為原水峪5413工作面采空區(qū)(9號煤層已采),東鄰正文煤業(yè)11002工作面采空區(qū)(9號、10+11號煤層采空),西鄰原水峪3318工作面采空區(qū)(9號、10+11號煤上分層已采,10+11號中分層巷道形成),南部為正文煤業(yè)采區(qū)大巷,北部為井田邊界,井田邊界北側(cè)為原水峪5113工作面采空區(qū)(9號、10+11號煤采空),采空區(qū)內(nèi)向斜低洼處可能存有積水。工作面掘進時應(yīng)加強對采空區(qū)積水的探放,嚴格執(zhí)行物探、鉆探(長探+短探)、化探手段,并配備排水能力不小于50 m3/h的排水設(shè)施,水泵一用一備。
回采巷道斷面為矩形,掘?qū)?.5 m,掘高2.8 m。采用鋼帶、錨桿、中空注漿錨索、六邊型網(wǎng)聯(lián)合支護,回采巷道斷面如圖2所示。
圖2 區(qū)段回采巷道支護斷面Fig.2 Support of section mining roadway
(1)頂板支護。頂板錨桿用φ22 mm×2 400 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×1 000 mm。頂板鋼帶規(guī)格4 200 mm×320 mm×4.5 mm,頂錨托盤為150 mm×150 mm×10 mm的中孔φ24 mm可調(diào)心拱形高強度錨桿托盤配用減磨墊片,位于鋼帶兩端的2根頂錨桿為角錨桿,與水平線成75°,其余均垂直頂板,呈矩形布置。頂板錨桿用鋼帶托板疊加安裝,鋼帶密貼頂板,不松勁。每根頂錨桿用2根錨固劑,1根CK2355錨固劑在上(孔底),1根K2355錨固劑在下。
錨索選用規(guī)格為φ21.8 mm×4 500 mm的注漿錨索配用300 mm×300 mm×16 mm的拱形注漿錨索托盤安裝。沿巷道掘進方向每2 m布置1組,錨索呈三花布置,第一排布置2根,間距2 m;第二排于巷道正中布置1根。錨索均垂直頂板布置,每根錨索用2根錨固劑,1根CK2355錨固劑在上(孔底),1根K2355錨固劑在下。
(2)實體煤幫及煤柱幫支護。各施工3排幫錨桿,幫錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合400 mm×320 mm×4.5 mm的鋼帶與可調(diào)心拱形高強度錨桿托盤配用減磨墊片疊加安裝。其中最上一排幫錨桿距頂板500 mm,幫錨桿均垂直巷幫布置。錨桿間排距為900 mm×1 000 mm。每根幫錨桿用2根錨固劑,1根K2355錨固劑在上(孔底),1根K2355錨固劑。
現(xiàn)場通過對注漿后錨索與錨桿做拉拔試驗,得出注漿后錨索錨固力增強為240 kN與錨桿錨固力增強為120 kN,巷道圍巖位移量小,綜放工作面破碎頂板圍巖變形破壞得到有效控制,增強了破碎頂板圍巖錨桿索錨固力及錨固安全性、可靠性,實現(xiàn)錨桿索與圍巖錨固一體化的控制。
(1)注漿對破碎頂板裂化部分進行修復(fù),注漿、錨桿、錨索與破裂圍巖構(gòu)成支圍一體結(jié)構(gòu)。注漿液在破裂圍巖中擴散開,沿破裂圍巖破裂滑移面延伸并形成多支樹杈狀分布,增強與圍巖整體結(jié)合范圍。
(2)破碎頂板注錨一體化結(jié)構(gòu)對頂板圍巖中裂化滑移面、切向與徑向拉伸破壞、剪切破壞形成限定,抑制圍巖裂化擴展導(dǎo)致錨桿索錨固力降低或失效,減免破裂圍巖自由面加大發(fā)生頂板災(zāi)變。
(3)中空注漿錨索在破碎頂板巷道支護中,注漿壓力為1.2~1.5 MPa,注漿擴散效果好,注漿后錨索錨固力增強為240 kN與錨桿錨固力增加為120 kN,巷道圍巖位移量小,綜放工作面破碎頂板圍巖變形破壞得到有效控制,增強破碎頂板圍巖錨桿索錨固力及錨固安全性。