劉 軍,杜青炎,韓榮軍

(1.義馬煤業(yè)有限責(zé)任公司礦壓研究所,河南義馬 472300;2.義馬煤業(yè)有限責(zé)任公司,河南義馬 472300;3.中國煤炭學(xué)會(huì)巖石力學(xué)支護(hù)專業(yè)委員會(huì),北京 100013)

深部開采沖擊礦壓礦井大斷面巷道支護(hù)的探索

劉 軍1,3,杜青炎2,韓榮軍1

(1.義馬煤業(yè)有限責(zé)任公司礦壓研究所,河南義馬 472300;2.義馬煤業(yè)有限責(zé)任公司,河南義馬 472300;3.中國煤炭學(xué)會(huì)巖石力學(xué)支護(hù)專業(yè)委員會(huì),北京 100013)

對(duì)躍進(jìn)煤礦錨網(wǎng)索支護(hù)與錨網(wǎng)索 +“O”型棚復(fù)合支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比及礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,找到了適合深部開采沖擊礦壓礦井的巷道支護(hù)形式,提高了巷道抗沖擊強(qiáng)度,緩解了底板型沖擊礦壓對(duì)巷道的破壞,在躍進(jìn)煤礦 23130工作面下巷應(yīng)用后取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

深部開采;沖擊礦壓;復(fù)合型支護(hù)

Research on Supporting Roadway with Large Section in M in ing Deep Coal Seam with Bursting L iability

深部開采,原始應(yīng)力水平相對(duì)于圍巖強(qiáng)度高,采動(dòng)附加應(yīng)力更趨強(qiáng)烈[1],圍巖破碎區(qū)范圍進(jìn)一步加大,不易形成結(jié)構(gòu)效應(yīng)[2];時(shí)間效應(yīng)強(qiáng)烈,變形速度快,不易長期維護(hù)。采用傳統(tǒng)的架棚支護(hù)、錨桿支護(hù)都不能有效維護(hù)巷道。特別是采掘工作面開拓或回采過程中沖擊礦壓的發(fā)生,會(huì)對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞,造成人員重大傷亡。解決有沖擊礦壓的巷道支護(hù)問題已經(jīng)成為巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重大課題。躍進(jìn)煤礦在 23130下巷支護(hù)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與嘗試。

1 礦井概況

躍進(jìn)煤礦主要含煤地層為義馬組,煤系地層平均厚 76.1m,主要由碎屑巖、泥巖和煤組成,含 2個(gè)煤組,為一煤組和二煤組。區(qū)內(nèi)煤層總厚度平均為 13.9m,含煤系數(shù)為 18.3%,其中一煤組有 1-1煤和 1-2煤,局部有可采點(diǎn);二煤組 2-1煤和2-3煤是礦井的主要煤層。2-1煤和 2-3煤在淺部分叉,深部合并,合并后統(tǒng)稱 2-1煤。該工作面煤層屬低瓦斯煤層,煤層有自燃性,發(fā)火期一般為 1～3個(gè)月。煤塵爆炸指數(shù)為 41%。預(yù)計(jì)涌水量小于 10m3/h。2-1煤層直接頂為泥巖,厚 20m左右,底板為中 -細(xì)粒砂巖,厚 0～25m,系 2-3煤層的頂板。礦井范圍內(nèi) 2-1煤層厚度變化較大,為 0.85～8.55m,平均 3.78m,該層不穩(wěn)定,距頂板 0.4～4m。2-3煤層位于 2-1煤層下部,距 2-1煤層間距 0～26.54m,平均 6.7m,在 170m水平賦存穩(wěn)定,煤層厚度 4.25～9.30m,平均6.60m。頂、底板巖性特征見表 1。

表1 頂、底板巖性特征

躍進(jìn)煤礦近兩年發(fā)生沖擊礦壓 22次,最嚴(yán)重的是 2007年 “6.19”沖擊礦壓事故,發(fā)生在25080工作面下巷 -460m水平,采深達(dá) 970m,造成近 300m巷道頂?shù)组]合或半閉合,4人受傷,工作面停產(chǎn) 12d,直接經(jīng)濟(jì)損失 1000多萬。

2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 下巷沖擊礦壓等級(jí)預(yù)測

本采區(qū)煤層上覆頂板巖層厚而堅(jiān)硬,煤體相對(duì)脆硬,f=1～2,沖擊傾向性強(qiáng),根據(jù)該巷道幾起沖擊災(zāi)害烈度估算,本巷道發(fā)生的沖擊礦壓震級(jí)ML=2.5,以這個(gè)震級(jí)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮到本巷道埋深大,煤層傾角大,現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)大,厚煤層煤體相對(duì)松軟,圍巖變形劇烈,巷道自身圍巖的穩(wěn)定性很難控制[3],加之厚層堅(jiān)硬頂板聚能孕沖,防沖難度相應(yīng)加大。

2.2 支護(hù)構(gòu)件動(dòng)載適應(yīng)性計(jì)算

根據(jù)相關(guān)研究資料,發(fā)生震級(jí)ML=2.5的沖擊礦壓后,巖塊拋射速度 vk=2.37m/s。

有巖爆 (沖擊礦壓)傾向硬巖礦床坑道開挖周邊巖體屈服厚度約為 0.5～1.0m,保守取值厚煤層巷道開挖后巷道周邊屈服巖體范圍等于巖體產(chǎn)生裂隙的范圍,取巖體破裂厚度為 1.0m,巷道煤層密度取 1.3×103kg/m3。根據(jù)上述條件,由公式 Ed=0.5計(jì)算出發(fā)生沖擊礦壓后巷道圍巖表面巖體釋放的動(dòng)能 Ed為 3.4385kJ/m2,其中 m為參與沖擊破壞的巷道圍巖巖體的質(zhì)量。

若以巷道頂板巖體為準(zhǔn),還必須考慮頂板巖體沖擊過程中由于錨桿受拉延伸位移下滑而釋放的勢能,以螺紋鋼錨桿的最大實(shí)際延伸率 8%計(jì)算,長度 2.5m的錨桿極限位移為 200mm,由公式 Es=m gΔh計(jì)算出頂板巖塊因沖擊下滑釋放的勢能[4],Es為 0.245kJ/m2,其中 g為重力加速度。

根據(jù)上述能量平衡分析可知,沖擊發(fā)生后釋放能量總和 E=Ed+Es=3.6835kJ/m2。

設(shè)計(jì)采用的支護(hù)構(gòu)件的吸能大小計(jì)算如下：

由相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果 φ22 mm×2500 mm的螺紋鋼錨桿錨帶網(wǎng)吸收的能量取 1.85kJ,錨索吸收的能量取 3kJ,頂板錨索和錨帶網(wǎng)共同作用吸收的能量大小為：

幫部錨帶網(wǎng)吸收的能量大小為：

可見,在發(fā)生震級(jí)ML=2.5的沖擊礦壓時(shí),頂板巖體沖擊能量完全可以被錨帶網(wǎng)索共同作用所吸收,幫部煤體沖擊動(dòng)能也完全被幫部錨帶網(wǎng)索所吸收,但考慮躍進(jìn)煤礦沖擊礦壓為底板沖擊型,對(duì)巷道底板進(jìn)行剛性支護(hù),剛性支護(hù)首選可縮式 U36“O”型棚,因此,所選支護(hù)方案為錨網(wǎng)索 +“O”型棚復(fù)合支護(hù),完全可以滿足巷道圍巖穩(wěn)定性控制及防沖抗震要求[5]。

2.3 支護(hù)設(shè)計(jì)

2.3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

23130下巷全部沿煤頂板掘進(jìn),均為 “梯形”斷面。巷道凈寬 4.8m,下幫高 2.4m,上幫高3.4m,支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

頂錨桿選用 φ22mm×2200mm的等強(qiáng)左旋無縱筋滾絲鐵錨桿,間距 750mm,排距 750mm;

幫錨桿選用 φ18mm×1800mm等強(qiáng)螺紋錨桿。下幫錨桿排距 700mm,上幫錨桿排距 750mm,上、下幫錨桿間距均為 750mm。

錨索選用 φ17.8mm×8000mm,1860級(jí)低松弛鋼絞線;錨索 3排,排距 1200mm,距上、下幫各1250mm,錨索間距 1500mm。

頂錨桿錨固力不小于 70kN,扭力矩不小于100N·m;幫錨桿錨固力不小于 30kN,扭力矩不小于 60N·m;錨索預(yù)緊力不小于 120kN,錨索張拉壓力表數(shù)值當(dāng)班打不小于 31.5MPa,錨固力不小于 207kN;經(jīng) 24h后,錨索張拉壓力表數(shù)值檢測不小于 35MPa,錨固力不小于 230kN。

36U“O”型棚巷道斷面如圖 1。

圖1 23130上下巷架 36U“O”型棚支護(hù)

2.3.2 巷道原支護(hù)

巷道原支護(hù)均為“梯形”斷面,斷面積14.5m2,支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

頂錨桿選用 φ22mm×2000mm的等強(qiáng)左旋無縱筋滾絲鐵錨桿,間距 800mm,排距 800mm;

幫錨桿選用 φ18mm×1800mm等強(qiáng)螺紋錨桿,下幫錨桿排距 750mm,上幫錨桿排距 800mm,上、下幫錨桿間距均為 800mm。

錨索選用 φ17.8mm×8000mm,1860級(jí)低松弛鋼絞線;錨索 3排,排距 1200mm,距上、下幫各1250mm,錨索間距 1500mm。

3 礦壓觀測結(jié)果分析

根據(jù)上述支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn),試驗(yàn)地點(diǎn)在躍進(jìn)煤礦 23130下巷,巷道長度 1100m,其中布置 70m的錨網(wǎng)索段支護(hù),1030m的錨網(wǎng)索與“O”形棚復(fù)合支護(hù),在巷道布置 5個(gè)測點(diǎn),安頂板離層儀,對(duì)頂?shù)装逡平窟M(jìn)行連續(xù)觀測 300d。在觀測和巷道施工過程中發(fā)生了 7次沖擊礦壓,其中在錨網(wǎng)索支護(hù)段發(fā)生 2次,在錨網(wǎng)索與 “O”型棚復(fù)合支護(hù)段發(fā)生 5次。

根據(jù)連續(xù)觀測數(shù)據(jù),見圖 2：錨網(wǎng)索支護(hù)段巷道累計(jì)移近量 166.1mm,變形速度為 0.55mm/d,錨網(wǎng)索與 “O”型棚復(fù)合支護(hù)段巷道累計(jì)移近量59.3mm,變形速度為 0.19mm/d。

圖2 新舊支護(hù)方式頂?shù)装逡平繉?duì)比

3.1 沖擊礦壓發(fā)生后 2種支護(hù)底鼓量對(duì)比

23130下巷 1100m巷道觀測施工過程中,共發(fā)生 7次沖擊礦壓,對(duì)發(fā)生的 7次沖擊礦壓進(jìn)行了底鼓量對(duì)比。

錨網(wǎng)索支護(hù)段最大底鼓量 2.7m,破壞巷道長度 70m,錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)段最大底鼓量 0.6m,比采用錨網(wǎng)索支護(hù)底鼓量明顯減小。由于沖擊礦壓具有發(fā)生突然,來壓劇烈,破壞性強(qiáng),對(duì)支護(hù)提出了更高的要求。觀測結(jié)果表明,錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)可以控制圍巖變形,特別是底板型沖擊礦壓,即使巷道受較強(qiáng)烈的沖擊仍能保持一定的空間[6]。

3.2 礦壓觀測數(shù)據(jù)分析

從礦壓觀測數(shù)據(jù)上看出 (如圖 2),錨網(wǎng)索支護(hù)頂?shù)装逡平看?初期移近量明顯增加 1倍,中期移近量起伏比較大,后期相對(duì)比較平穩(wěn);而錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)初期移近量小,穩(wěn)定性好,可有效地抑制煤塊的拋射和破碎煤體的冒落,避免巷道局部破壞而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)體系失衡。觀測結(jié)果表明,錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù),控制圍巖變形能力強(qiáng),抗沖擊礦壓強(qiáng)度高。

4 結(jié)論

(1)錨網(wǎng)索與 “O”型棚復(fù)合支護(hù),支護(hù)強(qiáng)度高,整體穩(wěn)定性好,變形量小,抗沖擊礦壓能力強(qiáng),能有效防止沖擊礦壓對(duì)巷道的破壞,保證工作面人員和設(shè)備的安全。

(2)根據(jù)巷道礦壓觀測數(shù)據(jù)分析,巷道施工60d內(nèi)是變形速度最大的時(shí)期,后期巷道變形量明顯下降?？梢詼p少前掘后修,以及回采期巷道落底的工程量和勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)施工復(fù)雜,掘進(jìn)速度慢。

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[2]袁 亮.深井巷道圍巖控制理論及淮南礦區(qū)工程實(shí)踐 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2006.

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[4]邢福康,蔡 坫,劉玉堂,等.煤礦支護(hù)手冊(cè) [D].北京：煤炭工業(yè)出版社,1991.

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TD353

B

1006-6225(2010)01-0065-03

2009-09-25

劉 軍 (1962-),男,遼寧撫順人,高級(jí)工程師,現(xiàn)任義煤集團(tuán)礦壓研究所所長,兼躍進(jìn)礦總工程師。

鄒正立]

技術(shù)經(jīng)濟(jì)管理