復(fù)合頂板工作面開切眼支護(hù)技術(shù)研究

張明輝

(汾西礦業(yè)集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司 工程公司,山西 孝義 032300)

隨著礦井采掘深度增加及開采范圍不斷增大,采掘作業(yè)受復(fù)合頂板影響更為明顯,復(fù)合頂板由于具有力學(xué)性能差、強(qiáng)度低等特征,在采掘影響下容易出現(xiàn)離層、錯(cuò)動(dòng)甚至冒落等問題[1-3]。伴隨著先進(jìn)采掘設(shè)備的應(yīng)用推廣,回采巷道及切眼等斷面不斷增大,給巷道圍巖控制工作造成影響,特別是大斷面切眼遇復(fù)合頂板時(shí),如何確保圍巖穩(wěn)定是切眼掘進(jìn)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注的問題[4-5]。為此,眾多學(xué)者及技術(shù)人員對(duì)復(fù)合頂板切眼掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)展開研究。趙瑤[6]針對(duì)園子溝礦厚煤層大斷面切眼面臨的頂板控制困難問題,采用工程類比法確定采用二次成巷方式掘進(jìn)切眼并采用數(shù)值模擬技術(shù)分析錨梁網(wǎng)+錨索梁+桁架錨索聯(lián)合支護(hù)效果,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后切頂頂?shù)装?、巷幫最大收斂量分別控制在269 mm、320 mm以內(nèi),有效控制了切眼圍巖變形;梁文勖[7]針對(duì)復(fù)合頂板大斷面巷道圍巖控制面臨的支護(hù)困難問題,提出用長短錨索協(xié)同方式代替原有的錨網(wǎng)索方式控制圍巖變形,通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)長短錨索協(xié)同方式可有效控制圍巖破壞變形,塑性區(qū)面積縮小29.1%,此種支護(hù)方式對(duì)復(fù)合頂板巷道圍巖控制效果顯著;柴敬等[8]針對(duì)大跨度切頂破碎頂板支護(hù)難度大的問題,提出以架棚支護(hù)為基礎(chǔ),并通過密集錨索+錨桿方式提高頂板承載能力,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后切眼頂板下沉量控制在12 mm以內(nèi),頂板穩(wěn)定性較好。上述研究成果為復(fù)合頂板工作面切眼圍巖控制提供了寶貴借鑒經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合以往研究成果,以山西某礦41205工作面切眼支護(hù)為工程背景,針對(duì)切眼復(fù)合頂板問題,針對(duì)性地提出掘進(jìn)、圍巖支護(hù)技術(shù)方案,有效控制了切眼變形。

1 工程概況

41205工作面位于二盤區(qū)準(zhǔn)備巷道東側(cè),北為41203綜放工作面,南為41207工作面(采空區(qū)),東為工業(yè)廠區(qū)保護(hù)煤柱,采面走向長度1 318 m、傾斜長度260 m,具體位置如圖1所示。41205工作面回采的4號(hào)煤層平均厚度為5.0 m,含2～3層炭質(zhì)泥巖夾矸石,煤層賦存平緩,傾角為1°～3°,煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。41205工作面基本頂為砂巖,巖性為中、細(xì)粒長石石英砂巖及長石砂巖,巖芯完整,裂隙發(fā)育;直接頂板為炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖以及細(xì)砂巖互層,呈灰黑色,強(qiáng)度及承載能力較差。煤層底板為炭質(zhì)泥巖,黑褐色,層狀,上部炭質(zhì)高,下部暗色泥巖及煤線,遇水易膨脹變形,煤層開采易發(fā)生底鼓。

圖1 41203工作面

41205工作面上部無河流,根據(jù)以往揭露水文地質(zhì)資料及水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告,工作面頂部受3層含水層影響,侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖含水層、侏羅系中統(tǒng)、下統(tǒng)直羅組以及白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖含水層。41205工作面切眼掘進(jìn)期,頂板含水層水可能通過煤巖裂隙進(jìn)入巷道,表現(xiàn)形式為頂板淋水、幫部滲水,對(duì)掘進(jìn)有一定影響,正常涌水量2～20 m3/h,最大涌水量40 m3/h,掘進(jìn)期間應(yīng)做好防、排水工作。

2 切眼圍巖支護(hù)技術(shù)

41205工作面切眼設(shè)計(jì)跨度為8.5 m,由于切眼跨度大且頂板為復(fù)合頂板,承載能力偏低、控制難度高,為降低切眼圍巖控制難度,提出采用分次開挖方式。先掘進(jìn)小斷面切眼導(dǎo)硐,當(dāng)切眼導(dǎo)硐與回采巷道貫通后再通過刷擴(kuò)方式將切眼寬度增加至8.5 m.41205工作面切眼導(dǎo)硐采用EBZ-200型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工,EBZ-200型掘進(jìn)機(jī)鏟板部自行裝煤,后接EZQ300型橋式膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)、SSJ-800膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸。切眼導(dǎo)硐壓風(fēng)從41205回風(fēng)巷接入,配備2臺(tái)FBD/No8.0-2 kW×15 kW對(duì)旋式風(fēng)機(jī),設(shè)計(jì)供風(fēng)量為400.5 m3/min.

2.1 錨網(wǎng)索桁架支護(hù)參數(shù)

根據(jù)41205工作面圍巖柱狀資料分析,4號(hào)煤層頂板直接頂為炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖以及細(xì)砂巖互層的復(fù)合頂板,厚度3.6 m左右,施工時(shí)極易垮落。根據(jù)鄰近41201工作面切眼支護(hù)經(jīng)驗(yàn),確定41205工作面切眼錨網(wǎng)索桁架支護(hù),具體支護(hù)斷面如圖2和圖3所示。

圖2 切眼支護(hù)剖面示意(單位:mm)

圖3 切眼支護(hù)斷面示意(單位:mm)

切眼導(dǎo)硐斷面形狀為矩形,掘?qū)挒? m、掘高為3.6 m,掘進(jìn)斷面積為18 m2,掘進(jìn)完成后刷擴(kuò)3.5 m,從而確保切眼跨度達(dá)到8.5 m,切眼圍巖永久支護(hù)采用錨網(wǎng)索桁架方式,具體支護(hù)參數(shù)為:

1) 頂板錨桿采用Φ20 mm×2 800 mm的左旋螺紋鋼錨桿,配套使用球形墊圈和阻尼墊圈,導(dǎo)硐左幫部采用Φ20 mm×2 500 mm的右旋等強(qiáng)度螺紋鋼錨桿。右?guī)图案蠲簬筒坎捎忙?0 mm×2 500 mm的玻璃鋼錨桿。頂板間排距1 400 mm×800 mm;幫部錨桿間排距700 mm×800 mm,每孔兩節(jié)MSZ2360樹脂錨固劑,錨固長度1 200 mm.

2) 頂板及左幫掛菱形鐵絲網(wǎng),規(guī)格:1 000 mm×10 000 mm,擴(kuò)幫側(cè)及割煤側(cè)網(wǎng)片采用(1 000 mm×3 500 mm)塑鋼網(wǎng),網(wǎng)間壓茬≥100 mm,連網(wǎng)間距≤200 mm.

3) 由于頂板淋水,為提高頂板穩(wěn)定性,錨索采用Φ21.8 mm×8 300 mm、Φ21.8 mm×10 300 mm的防腐錨索;切眼中部僅采用錨索(規(guī)格Φ21.8 mm×10 300 mm防腐錨索)支護(hù),按“4444”布置,間排距為700 mm×800 mm;兩側(cè)采用Φ21.8 mm×8 300 mm錨索支護(hù),間排距1 400 mm×800 mm;每孔3節(jié)MSZ2360樹脂錨固劑,錨固長度1 800 mm;錨索鎖具與鋼帶之間加100 mm×80 mm×8 mm的墊片。

4) T型鋼帶及托盤:頂板采用兩根T140-L4500/7型鋼帶支護(hù),導(dǎo)硐左幫部采用木托盤(300 mm×200 mm×50 mm)+鐵托盤錨固(150 mm×150 mm×8 mm)支護(hù)。擴(kuò)幫側(cè)及割煤側(cè)采用木托盤(300 mm×200 mm×50 mm)+玻璃鋼托盤支護(hù)。

2.2 圍巖噴漿及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

待41205工作面切眼完成掘進(jìn)后首先噴射厚度50 mm、強(qiáng)度C20的混凝土,以便實(shí)現(xiàn)圍巖及時(shí)封閉,降低空氣、水等圍巖風(fēng)化影響。待圍巖錨網(wǎng)索桁架支護(hù)完成后再次進(jìn)行復(fù)噴,噴射厚度50 mm、強(qiáng)度C20的混凝土,通過復(fù)噴提高支護(hù)體系與圍巖耦合效果并提高護(hù)表強(qiáng)度。

41205工作面切眼跨度達(dá)到8.5 m且頂板為復(fù)合頂板,承載能力較差,為更好地控制圍巖變形,在切眼導(dǎo)硐掘、刷擴(kuò)完成后在導(dǎo)硐及刷擴(kuò)側(cè)中部均按照一梁三柱形式布置單體,以提高對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度。

3 切眼支護(hù)效果分析

待41205工作面切眼掘進(jìn)及支護(hù)完成后布置測(cè)點(diǎn)對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖4所示。從圖中看出,切眼掘進(jìn)及支護(hù)完成7 d內(nèi),圍巖變形量較為劇烈,隨著支護(hù)時(shí)間增加,圍巖變形逐漸穩(wěn)定,最終頂板、底板、巷幫位移量分別為39 mm、17 mm、35 mm,圍巖變形整體較小,可滿足后續(xù)開采設(shè)備安裝需要。

圖4 切眼圍巖變形曲線

4 結(jié) 語

41205工作面頂板為承載能力差、穩(wěn)定性不強(qiáng)的復(fù)合頂板,同時(shí)采面切眼跨度大,導(dǎo)致切眼頂板圍巖控制難度較高,實(shí)現(xiàn)頂板控制是采面切眼圍巖控制的關(guān)鍵所在。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,提出以錨網(wǎng)索桁架支護(hù)為主、圍巖噴漿及補(bǔ)強(qiáng)(工字鋼+單體)支護(hù)為輔的切眼支護(hù)技術(shù)。通過在圍巖支護(hù)中使用長錨桿及防腐長錨索,施加較大的預(yù)緊力,提高頂板巖體懸吊及支護(hù)效果;在切眼中部位置通過密集布置防腐長錨索提高支護(hù)效果,減少中部頂板下沉量;掘進(jìn)及支護(hù)完成后及時(shí)噴漿實(shí)現(xiàn)圍巖封閉,降低空氣、水等的影響;同時(shí)切眼導(dǎo)硐、刷擴(kuò)段中部采用工字鋼+單體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),進(jìn)一步提升頂板支護(hù)強(qiáng)度。

現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐結(jié)果表明,采用的支護(hù)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)41205工作面切眼圍巖變形有效控制,復(fù)合頂板控制效果顯著,頂板最大下沉量控制在39 mm以內(nèi),支護(hù)后的切眼斷面可滿足后續(xù)采面設(shè)備安裝需求。