李育新
山西朔州市煤炭設(shè)計研究院,山西朔州 036800
朔州市興陶煤礦103采區(qū)運輸、軌道上山為全煤巷道,布置在石炭二疊紀(jì)太原組4#層中,直達(dá)礦井北部邊界,分別與主運大巷、主回風(fēng)大巷相連,單巷長度1 300m,其中運輸上山沿底板布置,軌道上山沿頂板布置,巷道斷面4×4m,2009年11月103采區(qū)形成生產(chǎn)能力,目前巷道斷面縮小,長度為3.69m,高度為3.58m,巷道斷面較原巷道斷面縮小17%。巷道底板鼓起,皮帶輸送機(jī)機(jī)架嚴(yán)重變形,無法正常運轉(zhuǎn)。
表1 煤層特征表
通過對頂、底板位移量的觀察,頂板離層下降、底板鼓起,巷道兩幫片幫嚴(yán)重。表明:1)在各種斷面形狀的巷道中,圓形和橢圓形巷道的應(yīng)力集中系數(shù)最低;2)巷道平直周邊上容易出現(xiàn)拉應(yīng)力,所以平直周邊往往比曲線周邊容易破壞;3)巷道周邊的拐角處存在很大的剪應(yīng)力;4)巷道斷面的高寬比對圍巖應(yīng)力分布有很大影響。重力應(yīng)力(垂直應(yīng)力)向巷道兩側(cè)偏移,使巷道兩幫向里移動,并發(fā)片幫現(xiàn)象,水平應(yīng)力向頂、底板轉(zhuǎn)移,引起頂板離層下降和底板鼓起,使頂、底板位移加大。
朔州市興陶煤礦103采區(qū)的運輸、軌道上山全煤巷道,為Ⅳ~Ⅴ類煤巷巷道。1)在巷道掘進(jìn)階段,巷道的掘進(jìn)破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài),引起了圍巖應(yīng)力重新分布,表現(xiàn)為圍巖立即產(chǎn)生移動和變形;2)無采掘影響階段,這個階段的圍巖移動主要是由于圍巖在塑性狀態(tài)下的流變所引起,即變形量是時間的函數(shù);3)采動影響階段,當(dāng)采煤工作面接近該區(qū)域時,由于工作面前方及采空區(qū)兩側(cè)支承壓力的影響,使圍巖應(yīng)力再次重新分布;4)采動影響穩(wěn)定階段,這是巷道圍巖經(jīng)受一次采動影響后重新進(jìn)入相對穩(wěn)定階段,固其圍巖移動特征基本上與無采掘影響階段類似;5)二次采動影響階段。處于采動影響穩(wěn)定階段的巷道,在下區(qū)段回采時,此巷道又將受另一工作面開采支承壓力的影響,從而引起圍巖的進(jìn)一步失穩(wěn)與移動。
2010 年初,朔州市煤炭設(shè)計研究院受礦方委托,進(jìn)行巷道維護(hù)試驗,根據(jù)興陶礦頂、底板巖層條件,確定采用錨索、錨桿聯(lián)合組合支護(hù),即全長樹脂錨固的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿+金屬網(wǎng)+W型鋼帶+樹脂錨固小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索。高強(qiáng)錨桿以加固作用為主,使其錨固范圍內(nèi)的頂煤形成“錨固平衡拱”;錨索以懸吊作用為主,把潛在冒落范圍內(nèi)的頂煤懸吊在上部比較穩(wěn)定的頂板巖層上,加大“錨固平衡拱”厚度,阻止頂煤下沉及冒落。使錨桿支護(hù)的三種理論:懸吊理論、組合梁和加固成型拱理論有機(jī)結(jié)合。煤幫錨桿采用18mm金屬錨桿。錨桿間距1.2m,錨索間距1.5m,排距1.0m,呈五花眼布置。首先從采區(qū)下部車場開始,沿巷道中線擴(kuò)幫至4m,沿巷道腰線及原底板傾角8°起底清理底板,挑頂,到原巷道高度4m,每清理1.2m立即補(bǔ)上錨桿,每清理1.5m立即打上錨索。巷道兩幫錨桿間距1.2m,錨索間距1.5m,排距1.0m,呈五花眼布置。
隨著我院錨桿錨索支護(hù)的深入研究表明,其懸吊理論、組合梁和加固成型拱理論,無法對全煤巷道支護(hù)提供理論支持,特別是錨桿支護(hù)對于提高圍巖(特別是松散圍巖)自身的最大承載能力沒有明顯效果。全煤巷道的關(guān)鍵技術(shù)主要是治頂,只要維持頂煤的穩(wěn)定,就能保證巷道圍巖的基本穩(wěn)定。而全長錨索錨桿的作用就是通過對其錨固長度范圍內(nèi)的煤體提供軸向和橫向約束,可有效地阻止煤塊體之間的相互錯動,防止錨固體的松散變形,保持錨固體的整體性,從而提高頂煤的承載能力和穩(wěn)定性。
103 采區(qū)上山巷道頂板為層狀巖層或松散煤體,需采取錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式,用金屬網(wǎng)及W型鋼帶把錨桿聯(lián)結(jié)起來,從而對頂煤起到整體加固作用。此外,由于頂煤與巖層界面上容易產(chǎn)生離層現(xiàn)象,導(dǎo)致頂煤下沉,當(dāng)錨固體不能承受頂板壓力時,甚至?xí)斐身敯迕奥?。在這種條件下,最有效的方法就是采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。錨索的錨固深度大,承載能力高,并可施加100kN以上的預(yù)緊力,因此可以有效地增加關(guān)鍵承載環(huán)的厚度,起到防止頂煤破壞冒落的作用。
經(jīng)過6個月的緊張施工,103采區(qū)的運輸、軌道上山巷道頂幫全部完成,從2010年7月開始到2011年3月,進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)測,煤體的整體性和穩(wěn)定性較好,頂煤平均下沉量度為22.0mm,兩幫相對移近量平均17.5mm,巷道斷面平均收縮率僅為2.5%。采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)全煤巷道,極大地控制了巷道圍巖的變形與破壞,保持了巷道圍巖的整體性和穩(wěn)定性,保證了103采區(qū)的運輸、軌道上山巷道在整個服務(wù)期間內(nèi)不進(jìn)行任何維修,同時將錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)運用到綜采工作面得運輸、回風(fēng)平巷,使端頭支架的超前支護(hù)拆棚、替棚維護(hù)工序大為簡化,改善了工人的勞動強(qiáng)度和作業(yè)環(huán)境,為103采區(qū)實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。
通過礦壓連續(xù)實時監(jiān)測,錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)在全煤巷道中,可以經(jīng)受回采時,動壓對圍巖影響,保持巷道不受破壞。
全煤巷道采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù),不但具有顯著的技術(shù)成果,而且具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,與傳統(tǒng)的工字鋼梯形支護(hù)費用相比較,每米巷道可節(jié)約92元,整個工程共減少成本24萬元。
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