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        22608工作面底抽巷全錨索支護技術(shù)研究

        2018-11-01 05:44:50
        山東煤炭科技 2018年10期
        關(guān)鍵詞:泥巖錨索頂板

        柳 陽

        (西山煤電(集團)有限責任公司,山西 太原 030053)

        1 概況

        西山煤電官地礦22608工作面處于官地礦中六采區(qū)+1051m水平,開采2#煤層,平均厚度為2.65 m,煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、細砂巖,煤層底板為細砂巖,含有0~1層夾矸。煤層走向大致呈NW-SE,傾向SW,煤層傾角為1°~10°,采區(qū)內(nèi)中小斷層較發(fā)育,煤層透氣性系數(shù)為0.615 m2/(MPa2×d),屬可抽采煤層。測定瓦斯涌出量為25~35 m3/min,煤層為Ⅲ類不易自燃煤層。

        官地礦2#煤層與3#煤層間距為6 m,通過在下組3#煤層中布置底抽巷來服務(wù)于2#煤層,如圖1所示,其中22606工作面尚未回采。由于上下煤層之間的層間距較小,在已回采的22607工作面下方的底抽巷破壞嚴重,基本報廢。因此在相似地質(zhì)條件下的22608工作面回采過程中,上組2#煤層回采時產(chǎn)生的動壓擾動現(xiàn)象會嚴重影響到3#煤層的底抽巷,使得3#煤層中的22608工作面底抽巷支護困難,因此需要對底抽巷的圍巖支護技術(shù)進行研究。

        圖1 巷道布置示意圖

        2 工作面圍巖性質(zhì)及強度測試

        設(shè)計支護之前需要掌握22608底抽巷圍巖性質(zhì)及地應(yīng)力水平,因此需要進行地質(zhì)力學測試,以便為巷道支護提高參考[1-2]。

        (1)圍巖性質(zhì)。通過圍巖結(jié)構(gòu)窺探,發(fā)現(xiàn)在巷道頂板6.5m的范圍內(nèi)存在3種結(jié)構(gòu),其中在頂板上方0~4.1m為泥巖,性質(zhì)疏松,強度低,裂隙發(fā)育,膠結(jié)性差,出現(xiàn)的頂板離層較多;在4.1~6.3m范圍內(nèi)為細砂巖,強度較高,結(jié)構(gòu)較為致密,裂隙發(fā)育較少;在6.3~6.5 m范圍內(nèi)為煤結(jié)構(gòu),相較頂板巖層松軟破碎,裂隙較多。

        (2)強度測試。通過頂板圍巖強度測量發(fā)現(xiàn)頂板的泥巖結(jié)構(gòu)強度平均值為22.6 MPa,細砂巖的強度平均值為71.7 MPa,上部煤體的強度較差,為12.33 MPa。在底抽巷頂板4.1 m范圍內(nèi)為松軟破碎的泥巖,強度低,易跨落,因此在進行支護時需要進行是否可錨的驗證,否則會造成支護的浪費與失效。

        (3)地應(yīng)力測定。通過在巷道的地應(yīng)力測定,發(fā)現(xiàn)水平方向的地應(yīng)力最大為14 MPa,巷道垂直方向的最大地應(yīng)力為15.55 MPa,二者數(shù)量上基本相等。地應(yīng)力較高,應(yīng)力場主要來源為垂直方向的覆巖自重及水平方向的圍巖擠壓作用。

        通過以上的地質(zhì)力學測試分析,可以看出22608底抽巷頂板強度低,離層現(xiàn)象較為嚴重,同時地應(yīng)力較大,在開采時必然會面臨較大的應(yīng)力擾動現(xiàn)象,支護設(shè)計具有一定的難度[3]。

        3 回采動壓顯現(xiàn)的數(shù)值模擬研究

        3.1 數(shù)值模型

        為了模擬底抽巷在上方工作面回采過程中的礦壓顯現(xiàn)特征,根據(jù)地質(zhì)力學測定結(jié)果,建立如圖2所示的數(shù)值模型,模擬在22606及22608工作面回采過程中底抽巷的變形破壞特征。

        圖2 數(shù)值模型

        模型參數(shù)如表1所示。

        表1 模型參數(shù)

        3.2 模擬結(jié)果分析

        在上部22606及22608工作面回采后,底抽巷的頂板應(yīng)力變化及圍巖變形情況如圖3和圖4所示。

        圖3 巷道應(yīng)力變化圖

        圖4 巷道變形情況圖

        從圖3和圖4可以看出,22606工作面回采對于22608底抽巷頂板應(yīng)力變化影響不明顯,僅有較小幅度的增加,同時巷道中的圍巖變形量也保持平穩(wěn)狀態(tài)。22608工作面回采對于底抽巷的應(yīng)力及變形影響較大,從圖3可以看出在距工作面超前50 m時應(yīng)力變化劇烈,巷道圍巖也發(fā)生較大幅度的變形,頂板累計下沉140 mm,底鼓61 mm,22608工作面回采產(chǎn)生的動壓對底抽巷的穩(wěn)定性產(chǎn)生了明顯影響?;夭晒ぷ髅嫱ㄟ^底抽巷上部后,使得底抽巷上部變?yōu)椴煽諈^(qū),應(yīng)力減小,在其后回采活動中底抽巷所受到的應(yīng)力小于原來的擾動應(yīng)力水平。因此,需要針對上部工作面回采通過底抽巷上端時的應(yīng)力及變形情況作相應(yīng)的支護設(shè)計,就可以滿足3#煤層底抽巷的穩(wěn)定性要求[4-5]。

        4 巷道支護設(shè)計

        在已回采的22607工作面底抽巷采用錨桿、錨網(wǎng)索聯(lián)合支護的方法。其中頂板支護選取直徑為20mm、長度為2400mm的高強錨桿,配合金屬平網(wǎng)和槽鋼進行加強支護;巷道兩幫支護采用直徑20mm、長度2400mm的高強錨桿配合金屬平網(wǎng)進行聯(lián)合支護,兩幫以2000mm的間距布置直徑為17.8mm,長4200mm的錨索,預緊力不小于100kN,以加強對頂板和兩幫變形作用的控制。

        采用上述的錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)支護方式,22607工作面回采過后底抽巷變形破壞嚴重,不能滿足22607工作面其后的需要,因此需要對原有的支護設(shè)計進行優(yōu)化加強。

        4.1 底抽巷支護技術(shù)優(yōu)化

        (1)通過地質(zhì)力學測試發(fā)現(xiàn)底抽巷頂板0~4.1m為泥巖,頂板離層較多,節(jié)理裂隙較為發(fā)育。錨桿支護的錨固力僅為70 kN,因此不適合該地質(zhì)條件下的支護,選用錨索支護可滿足支護要求。

        (2)泥巖厚度大于4m,因此錨索的設(shè)計長度也應(yīng)大于4m。

        (3)泥巖強度平均為22.6 MPa,在設(shè)計錨索長度為4.3 m時,可以支護全部的泥巖范圍,通過現(xiàn)場的抗拉拔試驗,發(fā)現(xiàn)在500 kN時錨索仍具有較好的錨固力,因此可以滿足頂板泥巖支護的需要。

        因此設(shè)計底抽巷全斷面高預應(yīng)力錨索支護,采用22-1×7-4300高強度低松弛預應(yīng)力鋼絞線,預緊力為250kN,配合樹脂錨固劑進行錨固。支護如圖5所示。頂板支護錨索間距為1200mm,兩幫間距為1100mm,所有錨索垂直巖層安裝。

        圖5 全斷面錨索支護圖(單位:mm)

        4.2 支護效果監(jiān)測

        為了觀測底抽巷頂板離層位移和巷道兩幫的變形情況,在底抽巷內(nèi)布置一套頂板離層位移檢測儀和圍巖變形監(jiān)測儀,對掘進過程中底抽巷的位移變形進行密集監(jiān)測。安裝初始,需要每天觀測一次。在觀察一定天數(shù)之后,如果監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定或規(guī)律化,可以適當?shù)馗臑槊? d或10 d觀察一次。通過對所有的監(jiān)測儀數(shù)據(jù)觀察,選取位移變形變化最大的區(qū)段進行進一步的觀察并進行分析。通過對比在進行支護前后的頂?shù)装逦灰屏亢蛢蓭妥冃瘟浚敯遄畲笙鲁亮繛?2mm,兩幫最大變形量為31mm,說明優(yōu)化后的支護設(shè)計能夠有效控制頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃?,支護效果良好。

        5 結(jié)論

        (1)22608工作面底抽巷頂板為松軟破碎的泥巖、強度低、易垮落,是底抽巷支護所面臨的主要問題。

        (2)數(shù)值模擬結(jié)果表明,22608底抽巷的礦壓顯現(xiàn)和變形主要受22608工作面回采的影響,采動應(yīng)力超前影響范圍為50m。

        (3)原有的錨桿+錨索支護的方式支護效果差,設(shè)計了底抽巷全斷面高預應(yīng)力錨索支護,有效地維持了底抽巷圍巖的穩(wěn)定性。

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