曹利強(qiáng)
(山西柳林興無煤礦有限責(zé)任公司,山西 呂梁 033300)
興無煤礦5206 工作面位于二采區(qū)5#煤層右翼第四個工作面,該工作面上部為42206、42209 采空區(qū),東南部為4#煤層北回風(fēng)下山、二采軌道下山、二采皮帶下山、南回風(fēng)下山,東部為5205 采空區(qū),西部為實(shí)體。5206 工作面設(shè)計(jì)走向長1500 m,傾向長200 m,回采的5#煤層為二疊系下統(tǒng)山西組。根據(jù)周邊各工作面及鉆孔資料分析,5#煤層厚度1.3~1.9 m,平均1.6 m,煤層結(jié)構(gòu)為煤0.2 m、夾矸0.2 m、煤1.2 m。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。
表1 5206 工作面回采的5#煤層頂?shù)装鍘r性表
2021 年6 月工作面已回采至557 m 處,6 月15 日夜班工作面推進(jìn)至535 m 處時,位于工作面前方20~30 m 處回風(fēng)順槽非煤壁側(cè)巷幫出現(xiàn)局部幫錨桿斷裂,伴隨著局部巷道“隆起”收縮現(xiàn)象;6月16 日早班工作面推進(jìn)至538 m 處時,位于巷道560~565 m 段巷幫與頂板肩角煤柱出現(xiàn)垮落,最大垮落深度為1.2 m,且垮落區(qū)不斷向回采方向延伸;當(dāng)工作面推進(jìn)至557 m 處時,560~585 m 巷幫支護(hù)失效率達(dá)17%,巷幫最大收縮量達(dá)0.57 m,局部出現(xiàn)底鼓、斷裂現(xiàn)象,最大底鼓量達(dá)0.46 m,失穩(wěn)煤柱側(cè)頂板下沉、破碎。
通過現(xiàn)場調(diào)查判斷該區(qū)域應(yīng)力大,6 月17 日早班從560 m 處開始對非煤側(cè)巷幫采取單錨桿、單錨索支護(hù)進(jìn)行修復(fù)。錨桿、錨索各一排,錨索長4.5 m,直徑17.8 mm,錨索施工在距頂1.0 m 處,以20°仰角布置;錨桿長2.0 m,直徑20 mm,施工在距頂2.0 m 處,垂直巷幫布置。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)施工后,兩幫收斂、支護(hù)失效等現(xiàn)象未能完全控制,錨桿(索)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)無法完全控制圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象,支護(hù)效果差。
1)5206 回風(fēng)順槽回采的5#煤層整體穩(wěn)定性差,煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而巷幫圍巖主要以5#煤層為主,煤層承載強(qiáng)度低,單軸抗壓強(qiáng)度小,在二次動壓作用下出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。
2)根據(jù)巷道掘進(jìn)前期資料顯示,巷道560~620 m 段為斷層群區(qū)域,共揭露7 條逆斷層,斷層平均落差為1.2 m,傾角為42°。受斷層影響,該區(qū)域圍巖受構(gòu)造應(yīng)力剪切破壞。東部的5205 采空區(qū),預(yù)留保安煤柱寬度為18 m,斷層造成圍巖產(chǎn)生裂隙,形成采空區(qū)殘余應(yīng)力傳遞通道,從而造成圍巖內(nèi)部破碎,力學(xué)性質(zhì)降低,煤柱垮落嚴(yán)重。
3)巷幫煤柱受集中應(yīng)力破壞后,煤巖體內(nèi)部形成塑性破壞區(qū),而巷道掘進(jìn)期間采用單錨桿支護(hù),后期錨桿(索)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)利用錨固劑錨固后對桿體施加預(yù)應(yīng)力,而圍巖形成塑性破壞區(qū)后,一方面降低了桿體錨固效果,另一方面對桿體施加的預(yù)應(yīng)力無法連續(xù)穩(wěn)定地傳遞至穩(wěn)定巖層中,導(dǎo)致支護(hù)效果差。
3.1.1 膨脹注漿錨桿結(jié)構(gòu)
1)膨脹注漿錨桿主要由金屬桿體、拱形玻璃鋼墊片、止?jié){塞、讓壓管、膨管等部分組成,如圖1。
圖1 膨脹注漿錨桿結(jié)構(gòu)示意圖(mm)
2)金屬桿體采用高錳鋼磨具澆筑而成,桿體長度為3.0 m,直徑為30 mm,桿體底端部為實(shí)芯削尖狀,長度為0.5 m,其余部分為中空狀,中部孔直徑為15 mm。在中空部桿體上布置若干個注漿小孔。
3)在桿體端部安裝一個長度為0.8 m 的膨管,膨管底部為正臺階鋸齒形膨殼。膨管安裝在桿體外部,膨管內(nèi)部孔為變徑結(jié)構(gòu),內(nèi)部孔直徑為25~30 mm,從而保證桿體在支護(hù)過程中能夠快速使膨殼膨脹開裂形成自鎖結(jié)構(gòu)。
4)在桿體實(shí)芯區(qū)與中空區(qū)之間安裝一個讓壓管,讓壓管長度為0.3 m,主要由兩端固定座和中部高應(yīng)力彈簧組成。讓壓管套在桿體上,讓壓管通過桿體變徑自鎖固定,在支護(hù)過程中主要對變形圍巖起到讓壓作用。在桿體端部安裝一個橡膠止?jié){塞,止?jié){塞為圓錐結(jié)構(gòu)。
3.1.2 膨脹注漿錨桿支護(hù)作用
1)封堵隔絕作用。注漿液可以快速將圍巖裂隙區(qū)進(jìn)行封堵,既起到了隔絕空氣防止煤體氧化以及防滅火作用,又能起到堵水作用,避免裂隙煤體在水潤濕作用下出現(xiàn)軟化,從而降低煤巖體自身抗壓強(qiáng)度。
2)改變圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)。通過注漿粘接作用,實(shí)現(xiàn)破碎圍巖二次重組,能夠增加巖體間的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角,提高圍巖單軸抗壓強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了圍巖與支護(hù)體協(xié)同作用。
3)提高支護(hù)強(qiáng)度。注漿可實(shí)現(xiàn)桿體全長錨固,利用膨脹殼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了桿體機(jī)械自鎖加固,利用讓壓管實(shí)現(xiàn)了桿體與蠕動變形圍巖讓壓耦合支護(hù),大大提高了桿體支護(hù)強(qiáng)度。
3.1.3 注漿材料及支護(hù)工藝
由于考慮到5206 回風(fēng)順槽巷幫煤柱與5205 采空區(qū)存在貫穿裂隙,采用丙烯酰胺類、木質(zhì)素類、聚氨酯類等有機(jī)化學(xué)注漿材料時反應(yīng)產(chǎn)熱量大,易出現(xiàn)煤體自燃,所以決定采用黏土漿和黏土水泥漿混合無機(jī)水泥漿液。其中,黏土漿液中水與膨潤土配比為1.5:1,黏土水泥漿液中水、膨潤土、水泥配比為1.3:1:0.2。為了保證注漿擴(kuò)散半徑不低于1.0 m,注漿壓力不得低于3.0 MPa,單孔注漿量為25~40 L。
3.1.4 支護(hù)工藝
1)5206 回風(fēng)順槽從565 m 處開始對巷幫使用膨脹注漿錨桿支護(hù),共計(jì)布置兩排,第一排布置在距頂板0.8 m 處,第二排布置在距頂板1.8 m 處,布置間距為2.0 m,兩排錨桿成邁步式布置。如圖2。
圖2 5206 回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)巷幫支護(hù)示意圖(mm)
2)首先采用手持式鉆機(jī)配套直徑為32 mm“八”字型鉆頭進(jìn)行鉆孔施工,鉆孔深度為3.0 m。鉆孔完成后對鉆孔內(nèi)安裝一支MSK23/35 型錨固劑,然后安裝膨脹注漿錨桿。安裝時先將桿體插入鉆孔底部,然后采用鉆機(jī)轉(zhuǎn)動桿體。桿體在錨注過程中打開膨管形成自鎖結(jié)構(gòu)。
3)桿體安裝到位后,在桿體外露端安裝玻璃鋼托板,初次施加預(yù)應(yīng)力為150 N·m。對中空桿體進(jìn)行注漿施工,注漿3 h 后第二次對桿體進(jìn)行預(yù)緊,使預(yù)緊力達(dá)到300 N·m。
1)L 型鋼棚由12#槽鋼焊制而成,鋼棚短邊長度為1.0 m,長邊長度為1.5 m,在鋼棚邊及對角處各焊制一個直徑為30 mm 的錨索支護(hù)孔。每架L 型鋼棚采用三根長度為4.5 m、直徑為17.8 mm 錨索進(jìn)行錨固。
2)L 型鋼棚支護(hù)排距為2.0 m,短邊固定在頂板上,長邊固定在巷幫上,對角處錨索布置仰角為45°。工作面回采時L 型鋼棚超前工作面2 排提前退錨回收。
在5206 回風(fēng)順槽590~595 m 范圍內(nèi)布置一個測點(diǎn)(超前工作面30 m),觀測測點(diǎn)與工作面不同距離下圍巖的變化情況:
1)當(dāng)測點(diǎn)距工作面30 m 時,5206 回風(fēng)順槽巷幫煤柱受采動影響小,未出現(xiàn)圍巖變形現(xiàn)象;工作面推進(jìn)后與測點(diǎn)距離為20 m 時,巷幫煤柱出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn),主要表現(xiàn)在出現(xiàn)網(wǎng)兜、巷幫中部出現(xiàn)局部鼓起變形現(xiàn)象,實(shí)測幫煤柱最大收斂量為0.12 m,但肩角煤柱未出現(xiàn)變形、垮落現(xiàn)象。
2)隨著工作面推進(jìn)與測點(diǎn)間距越來越小時,巷幫煤柱變形越來越嚴(yán)重。當(dāng)工作面與測點(diǎn)間距為5.0 m時,巷幫煤柱變形最嚴(yán)重,實(shí)測巷幫收斂量達(dá)0.24 m,局部出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,最大底鼓量為0.12 m,巷幫未出現(xiàn)垮落,巷幫錨桿失效率低于3%。由此可見采取的聯(lián)合支護(hù)措施達(dá)到控制圍巖變形的目的。
1)對5206 回風(fēng)順槽受采動影響區(qū)巷幫煤柱采取膨脹注漿錨桿支護(hù)后,改善了圍巖強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì),在圍巖內(nèi)部形成連續(xù)體加固圈,通過桿體楔固、擠壓等支護(hù)作用向圍巖施加擠壓應(yīng)力,控制塑性變形范圍擴(kuò)大,使圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。
2)L 型鋼棚支護(hù)后,解決了肩角煤柱支護(hù)強(qiáng)度不足、支護(hù)效果差等難題,有效減弱了肩角煤柱在大應(yīng)力作用下出現(xiàn)剝離破壞,避免因肩角煤柱垮落導(dǎo)致巷幫煤柱支撐強(qiáng)度降低而出現(xiàn)垮落、頂板下沉等現(xiàn)象。