王 軍

(遼寧省阜新市國(guó)土資源局)

工作面回采巷道圍巖(除底板外)均是強(qiáng)度較低的煤體,且圍巖處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中。煤體中存在許多原生裂隙,受掘進(jìn)和回采工作面采動(dòng)影響,巷道表面煤體會(huì)在原生裂隙基礎(chǔ)上產(chǎn)生一些新裂隙,特別時(shí)在超前支承壓力作用下,巷道圍巖會(huì)產(chǎn)生大量新的裂隙,巷道變形相對(duì)比較嚴(yán)重,以至于影響正常的安全生產(chǎn)。巷道變形有兩個(gè)特點(diǎn)：一是變形的程度相對(duì)較大;二是變形以圍巖塊體間的錯(cuò)動(dòng)和擴(kuò)容為主。因此,采取合理的支護(hù)方案控制巷道圍巖變形對(duì)于采掘工程時(shí)間具有重要意義。本文針對(duì)新勝井+90工作面順槽地質(zhì)條件及巷道圍巖變形破環(huán)特點(diǎn),運(yùn)用錨桿支護(hù)機(jī)理設(shè)計(jì)了一套支護(hù)方案,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn),支護(hù)效果良好,實(shí)現(xiàn)了該工作面的安全生產(chǎn)。

1 新勝井+90工作面回采巷道概況

新勝井是杉松崗礦業(yè)集團(tuán)公司技改礦井,該礦井為斜井開拓,原設(shè)計(jì)產(chǎn)量15萬 t/年。技改后,生產(chǎn)能力達(dá)到21萬 t/年。新勝井+90工作面回采煤層為6#煤層,采高為1.6～2.1 m,煤層平均傾角為11°。由于該礦井6#煤層頂板為泥巖,強(qiáng)度低,壓力大導(dǎo)致巷道破壞嚴(yán)重,急需進(jìn)行支護(hù)改革。

2 +90工作面回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

1)支護(hù)設(shè)計(jì)方法選擇。根據(jù)松軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法和該礦井煤層賦存狀況,以及礦井煤巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果,該工作面回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法采用工程類比法。設(shè)計(jì)技術(shù)路線見圖1。

2)巷道圍巖分類與支護(hù)形式確定。由煤巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定成果可知,6#煤直接頂為碳質(zhì)泥巖,抗壓強(qiáng)度為41.53 M Pa,底板為碳質(zhì)頁巖,抗壓強(qiáng)度為39.23 M Pa,老頂為粉砂巖,抗壓強(qiáng)度為5.41 M Pa。眾所周知,泥巖的特點(diǎn)是遇水膨脹和崩解,當(dāng)泥巖含水率較低時(shí),具有脆性巖石特性,當(dāng)含水率較高時(shí),具有塑性巖石特性,當(dāng)含水率增加1.5%時(shí),抗壓強(qiáng)度降低70%,碳質(zhì)頁巖層理發(fā)育,巖體強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石強(qiáng)度,而多數(shù)碳質(zhì)頁巖遇水崩解。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研情況,巷道圍巖穩(wěn)定狀況為中等穩(wěn)定和不穩(wěn)定,巷道應(yīng)采用主動(dòng)支護(hù)。具體支護(hù)方式為：錨桿+錨索+網(wǎng)+鋼筋梯。

圖1 煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)路線示意圖

3)支護(hù)設(shè)計(jì)方案確定。

a)斷面形狀選擇。+90工作面順槽斷面形狀為半圓拱,凈寬為2.8 m,墻高為1.2 m,凈拱半徑為1.4 m。

b)支護(hù)參數(shù)確定。利用工程類比法確定,錨桿直徑 d=22 mm,長(zhǎng)度為2.2 m,間距0.6 m,排距0.8 m,錨固方式為全長(zhǎng)錨固(3個(gè)藥卷)。錨索直徑為15.24 mm,有效長(zhǎng)度6 m,排距1.6 m,錨固方式為端頭錨固(2個(gè)藥卷)。金屬網(wǎng)直徑 3 mm,網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm,網(wǎng)寬為1.0 m。鋼筋梯直徑為10 mm,寬100 mm,規(guī)格見圖2。支護(hù)設(shè)計(jì)見圖3。

c)施工工藝流程。掘巷 →打眼→掛金屬網(wǎng)→鋼筋梯→打錨桿(錨索)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

在+90工作面回采巷道圍巖表面安設(shè)收斂測(cè)量基點(diǎn)及錨桿錨固力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀,觀測(cè)該巷道的表面收斂量及錨桿錨固力這些巷道礦壓顯現(xiàn)的特征值,并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,以檢驗(yàn)錨桿這種支護(hù)形式在該圍巖條件下的適應(yīng)性,檢驗(yàn)該支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理,為本礦井以后的支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的技術(shù)參考和技術(shù)參數(shù)。本次礦壓觀測(cè)的主要內(nèi)容有：巷道表面位移觀測(cè),錨桿錨固力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1)觀測(cè)斷面的布置及基點(diǎn)安設(shè)原理。

a)觀測(cè)斷面布置。在巷道中設(shè)置兩個(gè)觀測(cè)斷面,在每個(gè)觀測(cè)斷面處分別安設(shè)表面位移測(cè)量基點(diǎn)和錨桿錨固力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀。觀測(cè)斷面間距約10 m,每個(gè)觀測(cè)斷面距端部約10 m,圖4。

圖4 巷道觀測(cè)面布置示意圖

b)觀測(cè)基點(diǎn)的安設(shè)及觀測(cè)原理。表面位移的測(cè)量采用3角形方法進(jìn)行測(cè)量,基點(diǎn)安設(shè)見圖5。

圖5 表面位移觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

三角形表面收斂測(cè)量原理見圖6：表面收斂點(diǎn)采用收斂計(jì)進(jìn)行測(cè)量,觀測(cè)時(shí)只需量測(cè)LAB,LAC和LBC3個(gè)值為初讀數(shù)作為日常觀測(cè)值。

表面位移量計(jì)算方法如下：

收斂測(cè)量是測(cè)量巷道周邊兩固定點(diǎn)在聯(lián)系方向上的位移變化,所測(cè)得的數(shù)值是在兩聯(lián)線方向上位移量之和,為求出每一測(cè)點(diǎn)上的位移量的大小,可采用單一閉合三角形法分析解算,見圖6。

圖6 觀察斷面表面收斂計(jì)算示意圖

計(jì)算方法如下：

在使用此法進(jìn)行解算時(shí),為便于分析對(duì)所設(shè)斷面做如下假設(shè)：

①圍巖變形均發(fā)生在與巷道軸線相垂直的斷面內(nèi);②頂點(diǎn)A處在巷道中心線附近位置,只有豎向位移,認(rèn)為△AX=0;③幫上兩個(gè)測(cè)點(diǎn)B、C在同一水平上,兩點(diǎn)的豎向位移量忽略不計(jì),即△BY=△CY=0。

因此,可以求出在測(cè)量中所要求出的未知量△AY、△BX和△CX。用收斂計(jì)測(cè)量出數(shù)據(jù)為：

初始基線長(zhǎng)度：LAB,LAC,LBC。

任一時(shí)刻基線長(zhǎng)度：Lab,Lac,Lbc。

當(dāng) A、B、C三點(diǎn)移動(dòng)后,所構(gòu)成的三角形 a、b、c仍是閉合的,按照前述假設(shè)有A E⊥BC,且 E點(diǎn)為不動(dòng)點(diǎn),它到各點(diǎn)的初始距離分別為 h、XB、XC。根據(jù)勾股定理可以求出：

任一時(shí)刻 E點(diǎn)到各點(diǎn)的距離為ha,xb,xc同理,可以求出:

于是各測(cè)點(diǎn)的位移:

△A=h-ha

△B=XB-xb

△C=XC-xc

2)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析。

a)巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果與分析。通過一段時(shí)間的觀測(cè),獲取了表面位移的實(shí)測(cè)值,經(jīng)計(jì)算整理其結(jié)果見表1,據(jù)此也獲得各測(cè)點(diǎn)的表面位移變化曲線 ,見圖 7,圖 8。

從觀測(cè)計(jì)算結(jié)果來看,巷道的收斂量不大,在近一個(gè)多月的觀測(cè)時(shí)間內(nèi),頂板最大下沉量為0.17 mm,兩幫最大收斂量0.28 mm,基本沒有位移。從觀測(cè)斷面各點(diǎn)的位移變化曲線來看,巷道掘后頂板和兩幫位移處于不斷的波動(dòng)之中,但變化不大。說明頂板下沉和兩幫收斂量都較小,從巷道變形方向來看,即有巷道的內(nèi)擠和外移,這可能與施工質(zhì)量有關(guān)(各斷面內(nèi)錨桿的初錨力不同)和巖性差異有關(guān)。

表1 表面位移匯總表

總之,從巷道的表面收斂量來看,該巷道表面收斂量不大,說明該支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道變形的控制來講是合理的。

b)錨桿錨固力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀的安設(shè)及監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析。為了掌握頂、兩幫的錨桿受力狀況,在每個(gè)觀測(cè)斷面處于頂和兩幫分別安放錨桿錨固力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀,隨工作面的推進(jìn)及時(shí)觀測(cè)錨固力的變化情況。巷道開挖后,改變了巖體的應(yīng)力狀態(tài),巷道圍巖應(yīng)力將重新分布。錨桿的動(dòng)態(tài)錨固力變化值反映了圍巖應(yīng)力的變化情況。優(yōu)化的巷道設(shè)計(jì)使支護(hù)體與圍巖在協(xié)調(diào)變形過程中實(shí)現(xiàn)巷道的穩(wěn)定控制,亦即支護(hù)體與圍巖之間實(shí)現(xiàn)耦合(強(qiáng)度耦合、剛度耦合和結(jié)構(gòu)耦合),防止巷道圍巖出現(xiàn)高應(yīng)力腐蝕部位,最終實(shí)現(xiàn)載荷的均勻化。

錨桿錨固力的監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析見圖9,圖10。

從錨桿錨固力的動(dòng)態(tài)變化曲線來看,錨桿錨固力也在不斷的波動(dòng),但是波動(dòng)的幅度不大,波動(dòng)劇烈時(shí)間一般在巷道掘后10天之內(nèi),之后也有微小的波動(dòng),但是基本趨于穩(wěn)定值。數(shù)值波動(dòng)說明巷道圍巖變形、應(yīng)力在重新調(diào)整協(xié)調(diào),最終趨于穩(wěn)定。其中有錨固力為零的,這可能是現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量差導(dǎo)致了錨桿失效,建議日常加強(qiáng)對(duì)錨桿施工質(zhì)量的檢驗(yàn)。

4 結(jié) 論

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及觀測(cè)結(jié)果來看,該支護(hù)方式及其支護(hù)參數(shù)的選擇是合理的,錨桿和錨索的作用得到了充分的發(fā)揮,有效地控制了巷道的變形和頂板離層,實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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