劉旦龍，鄧明亮，李光輝，魏垂勝

(1.河南煤業(yè)化工集團(tuán)城郊煤礦，河南永城 476600;2.河南煤業(yè)化工集團(tuán)車(chē)集煤礦，河南永城 476600)

風(fēng)氧化帶錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉旦龍1，鄧明亮1，李光輝1，魏垂勝2

(1.河南煤業(yè)化工集團(tuán)城郊煤礦，河南永城 476600;2.河南煤業(yè)化工集團(tuán)車(chē)集煤礦，河南永城 476600)

城郊煤礦21205工作面膠帶巷掘進(jìn)至通尺1100m時(shí)遭遇風(fēng)氧化帶，通過(guò)“冒落拱”模型對(duì)巷道斷面進(jìn)行了優(yōu)化，利用“懸吊理論”對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)加強(qiáng)監(jiān)控檢測(cè)等方法安全有效地通過(guò)了風(fēng)氧化帶區(qū)，取得了很好的效果。

風(fēng)氧化帶;錨網(wǎng)索;斷面優(yōu)化;冒落拱;懸吊理論

Technology of Anchored Cable Mesh Supporting in Oxidation Zone and Its Application

城郊煤礦是河南煤業(yè)化工集團(tuán)永煤公司本部的5個(gè)現(xiàn)代化大型礦井之一，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5Mt/a。井田南北長(zhǎng)約12km，東西寬約11km，北鄰陳四樓井田，面積103km2。井田地表高程大約為34m。礦井設(shè)計(jì)利用儲(chǔ)量為 725.76Mt，可采儲(chǔ)量402.29Mt，其中第一水平 188.30Mt，第二水平213.99Mt。

1 地質(zhì)概況

21205膠帶巷位于城郊煤礦12采區(qū)，該工作面西為21401工作面 (未采)，東為21204工作面(未采)，南鄰西北膠帶運(yùn)輸巷保護(hù)煤柱，北至煤層露頭風(fēng)氧化帶保護(hù)煤柱。設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1627.76m，巷道沿煤層掘進(jìn)，煤層傾角最大為5°，最小為1°，平均為3°，煤厚3.18m;直接頂為泥巖，平均厚3.48m;基本頂為中粒沙巖，平均厚3.7m，屬穩(wěn)定巖層。設(shè)計(jì)巷道斷面為矩形，凈寬4.2m，毛斷面按巷高2.9m計(jì)算，凈斷面按巷高2.8m計(jì)算。巷道頂板采用錨網(wǎng)帶+錨索梁聯(lián)合支護(hù)，幫部采用錨網(wǎng)梯支護(hù)。

21205膠帶巷掘進(jìn)至通尺1100m時(shí)，頂板0～7m段出現(xiàn)風(fēng)化軟弱巖層，頂板巖石強(qiáng)度明顯降低，親水能力變強(qiáng)，軟化系數(shù)變低，支護(hù)非常困難，經(jīng)過(guò)取樣檢測(cè)，得到風(fēng)化巖層實(shí)際力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 21205膠帶巷風(fēng)化巖層力學(xué)參數(shù)

2 技術(shù)應(yīng)對(duì)措施

2.1 巷道斷面優(yōu)化

在原來(lái)的設(shè)計(jì)中巷道斷面的確定是根據(jù)“冒落拱”理論確定的。巖層原巖應(yīng)力因巷道的開(kāi)挖而被破壞，在達(dá)到新的應(yīng)力平衡之前，巷道上覆巖層要產(chǎn)生滑移、離層、冒落等運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)勢(shì)必會(huì)對(duì)上部巖層產(chǎn)生一定的影響［1］。根據(jù)“冒落拱”高度的計(jì)算公式:

式中，B為巷道開(kāi)掘?qū)挾?f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

在頂板條件穩(wěn)定時(shí)巖石堅(jiān)固性系數(shù)f值為4，巷道開(kāi)掘?qū)挾热?.4m，所以在原設(shè)計(jì)條件下“冒落拱”高度H=0.55m。

遇到風(fēng)氧化帶后，經(jīng)實(shí)測(cè)頂板巖石堅(jiān)固性系數(shù)下降至3.5。由于原來(lái)的錨桿長(zhǎng)度及錨固力等參數(shù)都是由原設(shè)計(jì)里的“冒落拱”高度進(jìn)行驗(yàn)算，所以要保證支護(hù)質(zhì)量滿(mǎn)足要求，必須重新設(shè)計(jì)巷道寬度B，使冒落拱高度小于原來(lái)設(shè)計(jì)冒落拱高度。由式 (1)可以得到:

式中，f取遇到風(fēng)氧化帶后的頂板巖石堅(jiān)固性系數(shù);H為原設(shè)計(jì)冒落拱高度。代入得巷道寬度B=3.85m。

為了預(yù)留一定的安全系數(shù)，巷道寬度取3.6m。經(jīng)進(jìn)一步驗(yàn)算，優(yōu)化后的巷道斷面能滿(mǎn)足掘進(jìn)及回采時(shí)巷道正常通風(fēng)行人等需求。

2.2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，風(fēng)氧化巖層頂部在距煤層上部5～7m的位置，整個(gè)風(fēng)氧化巖層呈土黃色，強(qiáng)度很低，巖石物理力學(xué)性質(zhì)與正常巖層物理力學(xué)性質(zhì)相比結(jié)果見(jiàn)表1。錨桿及錨索的錨固段是否達(dá)到上部穩(wěn)定巖層中，錨固力是否能懸吊住下部不穩(wěn)定巖層是錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵。

在原設(shè)計(jì)中，巷道頂部采用錨網(wǎng)帶支護(hù)，錨桿選用20mm×2200mm高強(qiáng)錨桿，設(shè)計(jì)錨固力120kN，錨桿間排距為800mm×800mm，鋼帶選用長(zhǎng)3600mm的BHW－220－2.75型鋼帶，鋼帶排距為800mm，頂板采用錨索梁加強(qiáng)支護(hù)，錨索梁沿巷道中心線(xiàn)布置2排 (巷道中心線(xiàn)偏左800mm布置一排，偏右800mm布置一排);每側(cè)錨索梁縱向間距為5000mm，錨索梁長(zhǎng)度為3000mm，一梁三索。錨索使用 φ18.9mm鋼絞線(xiàn)，長(zhǎng)度不低于7000mm，預(yù)緊力150kN。巷道斷面支護(hù)見(jiàn)圖1。

圖1 原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

低幫選用 φ16mm，長(zhǎng)1800mm的樹(shù)脂錨桿，排距800mm，高幫錨桿及布置同頂錨桿。

遇到風(fēng)氧化帶后，頂板錨桿無(wú)法有效地錨固到風(fēng)氧化巖層上部的穩(wěn)定巖層中，錨桿將失去懸吊作用，僅僅起到組合梁加固拱的作用，支護(hù)強(qiáng)度不符合要求。按照懸吊理論對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

錨索的間距、排距計(jì)算 (按最大斷面計(jì)算)，設(shè)計(jì)令間距、排距均為a，則:

式中，a為錨索間、排距，m;Q為錨索設(shè)計(jì)錨固力，150kN/根;H為冒落拱高度，0.55m;r為被懸吊泥巖的重力密度，19.992kN/m3;K為安全系數(shù)，一般取2，考慮到頂板條件不好取較大值5。

通過(guò)以上計(jì)算，確定沿巷道中心線(xiàn)兩側(cè)各700mm布置兩排走向錨索梁，錨索梁成三花布置，梁長(zhǎng)3000mm，一梁三索，分別在距兩端200mm及中間各鉆φ22mm的錨索孔。錨索梁縱向間距由5000mm縮短為900mm，錨索規(guī)格為 φ18.9mm×8000mm，錨索使用有效長(zhǎng)度不低于7500mm，預(yù)緊力150kN，另在錨索梁及索具中間加200mm×100mm×10mm的墊片，保證錨索外露長(zhǎng)度為50～100mm。錨索梁緊跟工作面迎頭。另外，為了保證頂板錨桿的組合加固效果，將錨桿間排距由原來(lái)設(shè)計(jì)的800mm×800mm優(yōu)化成750mm×750mm。優(yōu)化后巷道斷面支護(hù)見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)化后巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

2.3 加強(qiáng)監(jiān)控檢測(cè)

(1)監(jiān)測(cè)內(nèi)容 21205膠帶巷監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容有:巷道表面位移、圍巖深部位移、頂板離層、錨桿錨固力、預(yù)緊力、錨索的預(yù)緊力等。

(2)監(jiān)測(cè)方法 巷道頂板離層量使用頂板離層儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在原設(shè)計(jì)中要求每隔50m安裝1個(gè)，遇到風(fēng)氧化帶后要求每隔30m安裝1個(gè)，且讀數(shù)必須每隔3d觀(guān)測(cè)1次，當(dāng)頂板下沉速度每天大于5mm時(shí)要求每天觀(guān)測(cè)。

巷道幫部位移量采用“十字測(cè)點(diǎn)”法監(jiān)測(cè)，在原設(shè)計(jì)中要求每隔50m設(shè)置1個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，遇到風(fēng)氧化帶后要求每隔30m設(shè)置1個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，每隔3d觀(guān)測(cè)1次，有任何異常情況及時(shí)匯報(bào)處理。

2.4 監(jiān)控檢測(cè)效果

從2011年11月開(kāi)始，歷經(jīng)兩個(gè)多月的跟蹤監(jiān)測(cè)，通過(guò)后期的的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可以明顯地看出巷道的變形規(guī)律。大致可以將其分為掘進(jìn)影響期、掘后穩(wěn)定期［2］。

掘進(jìn)影響期巷道相對(duì)變形量較為明顯，頂板最大下沉速度達(dá)到7mm/d，距掘進(jìn)工作面70～80m時(shí)巷道趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉量80mm。頂板離層儀淺基點(diǎn)最大讀數(shù)為10mm，深基點(diǎn)無(wú)讀數(shù) (見(jiàn)圖3)。兩幫最大相對(duì)位移量為20mm。掘進(jìn)穩(wěn)定期圍巖變形量顯著降低，并且保持微小的速度，不斷地產(chǎn)生蠕變。

圖3 頂板離層

3 結(jié)束語(yǔ)

城郊煤礦21205膠帶巷遇到風(fēng)氧化帶后，通過(guò)合理優(yōu)化巷道斷面，增強(qiáng)改進(jìn)支護(hù)參數(shù)同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)，成功地控制住了頂板風(fēng)氧化帶軟弱巖層，杜絕了冒頂事故。

［1］郭成志.風(fēng)氧化帶內(nèi)頂板支護(hù)技術(shù)的研究［J］.能源技術(shù)與管理，2004，3(3):38－39.

［2］陳福林，林雪禮，范高賢.風(fēng)氧化帶錨網(wǎng)梯支護(hù)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用 ［J］.煤礦現(xiàn)代化 (S)，2006:125－126.

TD353

B

1006-6225(2012)03-0061-02

2012－03－01

劉旦龍 (1988－)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，助理工程師，城郊煤礦技術(shù)員。

［責(zé)任編輯王興庫(kù)］