劉運虎

(山西煤炭運銷集團 三聚盛煤業(yè)有限公司,太原 030303)

山西煤炭運銷集團三聚盛煤業(yè)有限公司所采煤層為太原組9號煤層,煤層均厚11.2 m,頂板巖性為泥灰?guī)r、石灰?guī)r,局部為粉砂巖,底板為砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖。原有礦井工作面開切眼支護形式多用架棚支護,由于頂板巖性差、煤體軟弱,在掘進(jìn)施工過程中會造成空頂、空幫現(xiàn)象,同時受切眼施工擾動作用,架設(shè)的工字鋼棚容易受巷道側(cè)壓、開采擾動出現(xiàn)棚架傾倒、扭曲現(xiàn)象,嚴(yán)重時會造成棚架腿子憋出,棚架支護失效等問題,通常在施工結(jié)束后,設(shè)備安裝前還需要進(jìn)行二次維護,不僅增加了施工成本,還容易延遲工作面安裝工期[1-2]。鑒于此,同時對錨桿和錨索支護效果進(jìn)行比較,決定在整改后首次工作面開切眼實施全錨索支護,以期提高切眼支護質(zhì)量,提高切眼施工效率,為設(shè)備安裝提前準(zhǔn)備。

1 全錨索支護機理

理論研究表明,錨索相比錨桿而言,具有錨固深度大、支護強度高、預(yù)應(yīng)力強等優(yōu)點,錨索的高預(yù)應(yīng)力能夠有效地提高巷道頂板的穩(wěn)定性,其預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定強度時,原則上可以有效抵抗水平應(yīng)力對頂板的作用,使巷道頂板具有一定的剛性,這樣可以避免巷道頂板因水平應(yīng)力作用出現(xiàn)橫向變形破壞[3]。另外,頂板的剛性增加也可以促使頂板抗剪切力大幅度提升,避免了巷道因切應(yīng)力的存在促使巷道出現(xiàn)縱向變形破壞。錨索支護理論認(rèn)為,錨索可以發(fā)揮其組合梁、懸吊等多種作用,可有效地促使上部巖層形成“組合梁”結(jié)構(gòu)?！敖M合梁”結(jié)構(gòu)的形成可大幅度增加巷道頂板的整體性、強度和穩(wěn)定性,對于預(yù)防頂板下沉變形具有積極的意義[4]。

礦井9號煤層工作面開切眼棚架支護實踐表明,9號煤層煤體軟弱易碎,頂板巖性為泥灰?guī)r-砂質(zhì)泥巖,巖體強度低,節(jié)理裂隙發(fā)育,易出現(xiàn)頂板冒漏現(xiàn)象,巷道頂板離層、頂板冒漏和頂板下沉是巷道頂板破壞最常見表現(xiàn)形式,利用錨索支護可以促使頂板剛性增加,形成“組合梁”結(jié)構(gòu),可有效避免巷道頂板離層破壞、頂板下沉、剪切破壞等。另外,掘進(jìn)施工過程中,支護前迎頭頂板具有一定的空頂時間,對于保證上方煤巖體的穩(wěn)定性極為不利,而錨索支護發(fā)揮其懸吊和組合梁作用，可以有效地將空頂區(qū)域范圍的頂板支護體系與頂板形成統(tǒng)一整體,避免空頂范圍內(nèi)頂煤和頂板冒漏。

2 全錨索支護實踐

2.1 工作面切眼概況

首采工作面位于礦井東翼采區(qū),所采煤層為山西組9號煤層,該煤層位于太原組下部,L1灰?guī)r之下,上距7號煤層22.48 m左右,為穩(wěn)定賦煤區(qū)、全區(qū)可采的厚煤層,煤厚8.00 m～12.85 m,平均11.22 m,煤層傾角8°～14°,平均9.5°，結(jié)構(gòu)簡單,一般含夾石2—3層,夾石單層最大厚度0.50 m。直接頂為均厚3.6 m的泥灰?guī)r-砂質(zhì)泥巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,局部破碎;基本頂為均厚5 m的灰白色中粗粒砂巖,致密堅硬;直接底為砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖,基本底為中粗粒砂巖,呈層狀分布。首采工作面傾斜長度200 m,開切眼設(shè)計規(guī)格(高×寬)3.5 m×6.5 m,切眼沿工作面底板掘進(jìn)。

2.2 全錨索支護參數(shù)的確定

由首采工作面切眼圍巖特性可知,切眼巷道頂板巖性為泥巖-砂質(zhì)泥巖-中粗粒砂巖,偽頂和直接頂巖性較差,同時切眼上部頂煤軟弱易碎,穩(wěn)定性較差。依據(jù)錨索支護特點,本著成本低、支護質(zhì)量高的目的,確定首采工作面切眼支護方式為“長短錨索網(wǎng)+W鋼帶”支護。

頂板支護:頂短錨索采用規(guī)格為Φ15.24 mm×4 500 mm的鋼絞繩,頂長錨索采用規(guī)格為Φ21.6 mm×8 300 mm的鋼絞繩。短錨索間排距為700 mm×700 mm,長錨索間排距為1 400 mm×1 400 mm,長短錨索所用托盤規(guī)格(長×寬×厚)均為250 mm×250 mm×12 mm的鋼托盤,要求預(yù)緊力分別不低于95 kN和120 kN。錨固長度均為1 450 mm～1 500 mm,錨固用1卷K2335型和2卷Z2360型錨固劑進(jìn)行錨固。金屬網(wǎng)采用12#鐵絲編制的網(wǎng)孔為20 mm×30 mm菱形網(wǎng),切眼全斷面鋪設(shè)。W鋼帶規(guī)格(長×寬)為4 500 mm×280 mm,采用搭接鋪設(shè)。

兩幫支護:切眼兩幫只布置短錨索網(wǎng)和W鋼帶,所用錨索、金屬網(wǎng)和W鋼帶規(guī)格與頂板支護材料一致,錨索間排距為700 mm×700 mm。

2.3 全錨索支護效果分析

1)巷道圍巖表面位移:首采工作面切眼采用全錨索支護以來,頂煤和頂板完整性相對較好,未出現(xiàn)大面積頂煤、頂巖冒落和頂板明顯下沉現(xiàn)象。為了精確掌握全錨索支護效果,將首采工作面切眼全錨索支護條件下切眼收斂變形情況進(jìn)行觀測,并與原礦井采區(qū)工作面切眼架棚支護條件下的變形情況進(jìn)行比較。

觀測過程:分別在兩工作面切眼隨掘進(jìn)施工布置等位置觀測點,觀測方法為拉線“十字交叉”法,不同支護下工作面開切眼圍巖收斂變形規(guī)律見圖1。

圖1 不同支護下工作面開切眼圍巖收斂變形規(guī)律Fig.1 Convergence and deformation of open-off cut under different supporting

由圖1可知,工作面切眼采用架棚支護,該切眼頂?shù)装逡平窟_(dá)到500 mm以上,頂?shù)装遄冃瘟炕鞠嗟?兩幫移近量超過了400 mm,巷道斷面收斂較明顯,且在距掘進(jìn)施工50 m范圍內(nèi)處于明顯變形階段,現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)切眼多處出現(xiàn)“網(wǎng)兜”現(xiàn)象,局部頂板下沉明顯,個別棚架出現(xiàn)傾斜、變形現(xiàn)象,局部施工木垛進(jìn)行加強支護。首采工作面采用全錨索支護,觀測期間,切眼頂?shù)装逡平繛?30 mm左右,頂板下沉量為30 mm左右,頂?shù)装遄冃我缘坠臑橹?兩幫移近量為110 mm左右,切眼巷道收斂變形不明顯,頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤蛔慵芘镄问较虑醒圩冃蔚?/4,但局部也出現(xiàn)“網(wǎng)兜”現(xiàn)象,距掘進(jìn)施工40 m范圍內(nèi)巷道收斂變形較明顯,觀測期間未見錨索斷折現(xiàn)象。

2)頂板離層觀測:為了掌握全錨索支護條件下頂煤和頂板離層情況,在首采工作面切眼安設(shè)頂板離層觀測儀進(jìn)行觀測,觀測結(jié)果如表1所示。

表1 首采工作面切眼全錨索支護下頂板離層分析Table 1 Roof separation under the full anchored cable supporting in the first mining face

由表1可知,頂煤離層平均42.4 mm,上方巖體離層平均38.6 mm,故頂板離層主要發(fā)生在頂煤段,但鑒于頂煤和頂板離層值相對較小,即長短錨索支護范圍內(nèi)均未出現(xiàn)大離層量現(xiàn)象,煤巖體相對穩(wěn)定,故全錨索支護效果相對較好。

3 結(jié)束語

錨索具有錨固深度大、支護強度高、預(yù)應(yīng)力強等優(yōu)點,錨索支護可提高巷道頂板剛性,使頂板形成“組合梁”結(jié)構(gòu),大幅度提高巷道頂板的整體性、穩(wěn)定性和強度。全錨索支護施工簡單、技術(shù)成熟、支護深度大,尤其是對預(yù)防軟巖、頂煤變形破壞具有積極意義。