張世偉
(大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同037000)
近些年,一些煤礦相繼進(jìn)入深部開(kāi)采階段,甚至新建礦井首采區(qū)就超過(guò)千米,生產(chǎn)條件不斷惡化,加之不合理的開(kāi)拓、開(kāi)采布置等,出現(xiàn)了兩側(cè)或多側(cè)處于臨空狀態(tài)的孤島煤柱工作面,巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的高地壓、大變形、難支護(hù)等問(wèn)題,嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)〔1-2〕。
孤島工作面圍巖所處應(yīng)力條件的特殊性,使得臨空(窄煤柱)巷道圍巖控制比常規(guī)工作面更加困難。相關(guān)專(zhuān)家針對(duì)孤島工作面臨空巷道支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究,提出了一些針對(duì)性的支護(hù)技術(shù),但由于巷道賦存條件和影響因素的復(fù)雜性、多變性和不確定性,巷道支護(hù)技術(shù)不盡相同〔3-6〕。根據(jù)永定莊煤業(yè)7121孤島工作面的實(shí)際條件,基于孤島臨空巷道圍巖穩(wěn)定性特征及錨網(wǎng)索支護(hù)機(jī)理,對(duì)巷道進(jìn)行巷內(nèi)錨桿支護(hù)、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。
7121工作面位于礦井-1000m東一采區(qū),西起工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱,東至F4正斷層,北為7123采空區(qū),南臨7119采空區(qū),為兩側(cè)臨空孤島煤柱工作面。工作面標(biāo)高-894.6 m~-990.0m,地面標(biāo)高+31.7m,平均采深達(dá)到1000m;工作面開(kāi)采7煤層,厚1.2~4.5m,傾角0°~12°,為較為穩(wěn)定煤層;工作面走向長(zhǎng)1893m,傾斜長(zhǎng)125m;工作面直接頂為6.20m的泥巖,基本頂為5.03m的細(xì)砂巖,直接底為4.69m的泥巖,基本底為24.4m的細(xì)砂巖;地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,工作面內(nèi)部發(fā)育一條落差較大的DF2斷層。
圖1 工作面平面布置示意
根據(jù)工作面實(shí)際條件,7121工作面材料道和溜子道均采用臨空(窄煤柱)布置形式,煤柱寬度5m,開(kāi)采深度大,巷道圍巖松散破碎、穩(wěn)定性差、變形量大、支護(hù)難度大,給巷道支護(hù)帶來(lái)巨大困難,因此有必要對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。
孤島工作面臨空巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈。臨空巷道一側(cè)為實(shí)體煤,另一側(cè)為采空區(qū),實(shí)體煤一側(cè)相當(dāng)于板的固支端,靠近采空區(qū)側(cè)又有一段外伸的頂板。基本頂斷裂沿工作面傾向形成的破斷面弧形三角塊B與實(shí)體煤側(cè)巖體A、采空區(qū)側(cè)塊體C形成鉸接的弧形三角塊結(jié)構(gòu),對(duì)臨空巷道圍巖穩(wěn)定起決定性作用,見(jiàn)圖2。
圖2 孤島工作面臨空巷道覆巖結(jié)構(gòu)特征
巷道掘進(jìn)期間,弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向基本未斷裂,在其“掩護(hù)”之下,臨空(窄煤柱)巷道只承受部分頂板壓力,頂板巖層不僅是載荷體,而且是承載體,不但承擔(dān)自身重量,還承擔(dān)上覆巖層壓力,在采空區(qū)側(cè)煤體一定范圍內(nèi)形成降壓區(qū),弧形三角塊結(jié)構(gòu)對(duì)巷道掘進(jìn)影響較小。在采動(dòng)作用下,弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向發(fā)生斷裂,臨空(窄煤柱)巷道承受冒落帶巖層的全部重量以及上覆巖層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力,懸臂巖梁的回轉(zhuǎn)破斷引起巷道瞬間水平移動(dòng)以及頂板下沉,導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞,回采期間弧形三角塊結(jié)構(gòu)對(duì)巷道穩(wěn)定性影響較大。
(1)錨桿支護(hù)可不同程度提高錨固區(qū)煤巖體強(qiáng)度、彈性模量、粘聚力等力學(xué)參數(shù),增加圍巖自身承載力。
(2)提高圍巖節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的強(qiáng)度,保持圍巖的整體強(qiáng)度、完整性與穩(wěn)定性。
(3)對(duì)圍巖施加一定的壓應(yīng)力,改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),提高圍巖抗拉能力、抗剪能力、屈服強(qiáng)度等。
(4)控制圍巖的離層、滑動(dòng)、張開(kāi)裂隙等變形與破壞,在錨固區(qū)內(nèi)形成次生承載層,最大限度保持錨固區(qū)圍巖的完整性。
(5)高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力對(duì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)起著決定性作用。
(6)托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件可擴(kuò)大錨桿作用范圍,使載荷趨于均勻,同時(shí)提高護(hù)表能力,共同形成組合支護(hù)系統(tǒng)。
(7)錨索將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部穩(wěn)定圍巖相連,使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載,提高支護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。
冒落帶巖層在煤體上方沿傾向方向彎曲、下沉和斷裂是造成窄煤柱臨空巷道變形破壞失穩(wěn)的力學(xué)根源。如何防止臨空巷道上方的冒落帶巖層斷裂或減緩其彎曲下沉,使巷道始終處于懸臂巖梁的“掩護(hù)”之下,是根本上減輕和控制沿空巷道圍巖變形的重要技術(shù)途徑。為此,深井孤島工作面臨空巷道采用巷內(nèi)錨桿支護(hù)、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。
(1)巷內(nèi)錨桿支護(hù)。巷道主體采用錨桿支護(hù),高強(qiáng)螺旋鋼錨桿配高強(qiáng)、高預(yù)應(yīng)力螺母、托盤(pán)等,改善圍巖受力狀態(tài),提高圍巖強(qiáng)度;增加錨桿的長(zhǎng)度、直徑及密度,提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度;頂部錨桿使頂板巖層錨固起來(lái),提高頂板的承載力;幫部錨桿加固煤幫,增強(qiáng)煤體的殘余強(qiáng)度和煤幫對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度。
(2)巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。巷道頂部及臨空側(cè)巷幫采用錨索加強(qiáng)支護(hù),加長(zhǎng)、高預(yù)應(yīng)力錨索可發(fā)揮圍巖的自身承載能力,形成支護(hù)–圍巖共同承載體系;高強(qiáng)度大托板可實(shí)現(xiàn)錨索預(yù)應(yīng)力與工作阻力的有效擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)均壓;頂部錨索將煤體、支護(hù)物與深部頂板相連,充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力;幫部錨索進(jìn)一步加強(qiáng)煤幫,不僅減輕巷旁支護(hù)的壓力,同時(shí)提高頂板的穩(wěn)定性。
根據(jù)7121孤島工作面材料道的實(shí)際條件,類(lèi)比礦井其他巷道支護(hù)方式,參考國(guó)內(nèi)類(lèi)似條件礦井巷道支護(hù)形式,采用巷內(nèi)錨桿支護(hù)、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。巷道支護(hù)斷面(見(jiàn)圖3)。
1)巷道斷面形狀為梯形,凈斷面規(guī)格:下凈寬×高(中)=4500mm×2700mm,凈斷面積12.15m2;掘進(jìn)斷面規(guī)格:掘進(jìn)寬×高(中)=4700mm×2800mm,掘進(jìn)斷面積13.16m2。巷道采用掘進(jìn)機(jī)沿煤層頂板掘進(jìn),先打錨桿進(jìn)行支護(hù),然后補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)。
2)巷道頂部及兩幫采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿及相配套的塑性減磨墊圈、等強(qiáng)防松螺母配合Φ12mm鋼筋焊制的托梁及金屬菱形網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。錨桿間排距為700 mm×700mm,外露長(zhǎng)度10~40mm,每根錨桿使用一支CK2350型樹(shù)脂藥卷;金屬網(wǎng)規(guī)格為1000mm×8000mm,壓茬寬度100~200mm;金屬托盤(pán)規(guī)格:長(zhǎng)×寬×厚=100 mm×100mm×10mm。頂部錨桿Φ22mm×2400mm,每排布置8根,鋼筋托梁規(guī)格為60mm×5000mm,螺母扭距為200N·m。兩幫為Φ20mm×2000mm的錨桿,鋼筋托梁規(guī)格為60mm×1800mm,每排布置9根錨桿,高幫6根,低幫3根,錨桿垂直巷道輪廓線,底角錨桿水平向下、頂角錨桿水平向上均不大于15°,螺母扭距為150N·m。
3)巷道頂部及臨空側(cè)巷幫采用Φ18.9mm鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù);每根錨索使用1卷CK2350和1卷Z2370樹(shù)脂錨固劑,CK2350放在端頭;托盤(pán)規(guī)格:300mm×300mm×15mm,錨索外露150~250mm。巷道頂板中線左、右1400mm處各布置一根長(zhǎng)度8250mm預(yù)應(yīng)力錨索,間排距2800mm×2800mm,錨索預(yù)緊力140kN。臨空側(cè)巷幫距離底板1900mm處布置一根長(zhǎng)度為6250mm的錨索,排距2800mm,錨索水平向上與巷道成45°,預(yù)緊力為120kN。
圖3 工作面支護(hù)斷面
為更好的檢驗(yàn)巷道支護(hù)效果,對(duì)巷道掘進(jìn)和回采期間進(jìn)行礦壓觀測(cè),觀測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?,?0m布置一測(cè)站,共布置3組測(cè)站,見(jiàn)圖4。
圖4 巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?/p>
結(jié)果表明:
1)巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平恐饾u增加,變形速率逐漸降低,并慢慢趨于穩(wěn)定。
2)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)巷道頂?shù)装逡平科骄鶠?5.60mm,變形速率最大為4.97mm/d,最小為0.18mm/d;巷道兩幫移近量平均為95.00mm,變形速率最大為3.83mm/d,最小為0.33mm/d。
3)目前該巷道已掘進(jìn)結(jié)束,巷道變形量較小,現(xiàn)有斷面能夠滿(mǎn)足使用需要。
實(shí)踐證明,該支護(hù)技術(shù)能夠有效控制巷道圍巖變形,具有較好的支護(hù)效果。
1)孤島工作面臨空巷道覆巖形成的弧形三角塊結(jié)構(gòu)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和應(yīng)力條件起決定性作用。巷道掘進(jìn)期間,弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向基本未斷裂,對(duì)巷道穩(wěn)定性影響較??;采動(dòng)作用下,弧形三角塊結(jié)構(gòu)沿傾向發(fā)生斷裂,巷道穩(wěn)定性影響較大。
2)基于錨桿支護(hù)作用機(jī)理,根據(jù)7121孤島工作面材料道的實(shí)際條件,巷道主體采用巷內(nèi)錨桿支護(hù)、巷頂及臨空側(cè)巷幫錨索加強(qiáng)支護(hù)。
3)實(shí)踐表明,該支護(hù)技術(shù)能夠有效地控制巷道圍巖變形,具有較好的支護(hù)效果,對(duì)礦井安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。
〔1〕錢(qián)鳴高,石平五,許家林.礦山壓力與巖層控制〔M〕.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2010.
〔2〕張 偉,張東升,陳建本等.孤島工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖變形控制〔J〕.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43(1):36-42.
〔3〕尤跟林,劉 洋,楊玉輝.窄煤柱沿空掘巷錨網(wǎng)梁索支護(hù)技術(shù)研究〔J〕.煤炭技術(shù),2011,30(1):68-70.
〔4〕宋金旺.特厚煤層綜放工作面臨空開(kāi)采巷道圍巖控制技術(shù)〔J〕.煤炭工程,2010,(11):46-48.
〔5〕趙洪民,丁 強(qiáng).沿空掘巷錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的應(yīng)用〔J〕.煤礦開(kāi)采,2008,13(5):62-65.
〔6〕曹永模,華心祝,楊 科.孤島工作面沿空巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究〔J〕.煤礦安全,2013,46(1):43-46.
〔7〕華心祝,馬俊楓,許庭教.錨桿支護(hù)巷道巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)沿空留巷圍巖控制機(jī)理研究及應(yīng)用〔J〕.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(12):2107-2112.
〔8〕侯朝炯.煤巷錨桿支護(hù)的關(guān)鍵理論與技術(shù)〔J〕.礦山壓力與頂板管理,2002,(1):2-5.