姬少盼
(西山煤電集團公司東曲礦,山西 古交 030200)
煤礦開采深度和強度不斷增加,出現(xiàn)了大量深部高應力、強采動及沖擊地壓等威脅的巷道,支護難度大,維護成本高,成為嚴重制約礦井安全、高效生產(chǎn)的技術瓶頸。鑒于巷道支護難度逐步加大,東曲礦為解決采掘接替緊張局面,采用沿空留巷及小煤柱留巷支護技術。
以東曲礦28203工作面巷道小煤柱留巷為工程背景,通過力學參數(shù)測試和模擬數(shù)值計算出小煤柱留巷的巷道圍巖應力分布情況,提出了東曲礦小煤柱留巷的巷道支護技術方案,留設合理煤柱寬度前提下,設計出高預應力強力錨桿支護技術方案,現(xiàn)場試驗和監(jiān)測結(jié)果表明,在毗鄰的28202工作面回采后,巷道變形量仍滿足技術要求,有效解決了東曲礦小煤柱留巷支護難題。
東曲礦28203工作面開采4號煤層,煤層平均厚度3.2 m,煤層平均傾角4.5°,強度平均值為12.09MPa,該煤層頂板為復合型頂板。28203工作面臨近3號煤層部分已回采,巷道為煤柱留巷巷道,凈煤柱寬8m,臨近28206工作面回采過程中,28203工作面巷道嚴重變形,兩幫位移達1600mm,底鼓超400mm,增加巷道維修頻率和成本,并對礦井接替、安全生產(chǎn)造成嚴重影響。為此,在28203工作面試驗小煤柱留巷巷道支護技術,解決巷道變形嚴重和支護難題。該巷道頂?shù)装寰C合地質(zhì)柱狀如表1所示。
表1 巷道頂?shù)装寰C合地質(zhì)柱狀
通過對28203工作面巷道地應力及頂板巖層強度監(jiān)測,該巷道水平主應力平均值為11.36MPa,垂直主應力值為9.67MPa,水平主應力方向為NW15°,屬構(gòu)造運動而產(chǎn)生的地應力場。通過巷道頂板圍巖強度測試顯示頂板巖層強度較高。
針對28203工作面巷道的地質(zhì)條件,采用數(shù)值計算軟件FLAC3D分析28203上巷掘進和回采過程中巖體的應力分布、位移變化規(guī)律,設計出巷道支護技術方案。
建立數(shù)值計算模型,對28203工作面回采后煤柱內(nèi)圍巖應力分布情況進行分析。
煤柱內(nèi)圍巖應力持續(xù)增加,垂直應力值31.26MPa大于原巖應力值9.89MPa,應力集中系數(shù)2.61??梢娤锏捞幵趪鷰r垂直應力增高區(qū),必須采用高預應力強力錨桿錨索支護技術,才能有效控制巷道圍巖應力,減少對巷道的形變破壞。
降低圍巖應力,增加圍巖強度,改善圍巖受力條件是減小塑性破壞區(qū)范圍,有效控制圍巖變形、破壞的關鍵。28203工作面巷道為復用巷道,巷道支護應選用長度2.3m的Φ28mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,并采用厚度4mm的W型鋼帶護板構(gòu)件來增加保護表面積。降低錨桿尾部應力集中和預應力損失,減少圍巖形變。巷道支護設計圖見圖2。
(1)錨桿。頂板錨桿采用屈服強度500MPa的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,樹脂加長錨固,預緊扭矩達到350N·m,但禁止超過500N·m。煤幫采用圓鋼錨桿,樹脂端部錨固,在頂板及煤幫形成剛度較大預應力承載結(jié)構(gòu),發(fā)揮主動支護作用。
圖2 巷道支護設計
(2)錨索。錨索采用Φ28mm高強度低松弛預應力鋼絞線,鉆孔直徑32mm,錨索初次張拉達350kN,并采用樹脂錨固劑錨固,起到補強支護效果。與錨桿形成剛度較大預應力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連,提高預應力承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
(3)W型鋼護板。配套使用厚度4mm的W型鋼護板增強護表構(gòu)件強度,可將錨桿預緊力快速分散到圍巖內(nèi),降低圍巖自身承載能力。
(4)金屬支護網(wǎng)。采用網(wǎng)孔50mm×50mm,規(guī)格4500mm×1000mm的金屬支護網(wǎng)護頂護幫,雙邊逐孔鏈接。
(5)頂板支護:錨桿排距850mm,間距900mm,并用礦用金屬支護網(wǎng)來聯(lián)合護頂,每根錨桿采用2節(jié)Z2360型中速樹脂錨固劑。錨索長6.5m的Φ28mm高強度低松弛預應力鋼絞線,托板為400×400×16mm的可調(diào)心托板,承載力達600kN。錨索每排2根,排距900mm,間距1900mm,垂直頂板巖層,錨索預應力不小于350kN。
(6)幫巷支護:錨桿排距800mm,間距800mm,預緊扭矩不小于300N·m。每2排錨桿打設4根錨索,長度4600mm,排距2000mm,間距1500mm,錨索預應力不小于350kN。
28203工作面巷道掘進期間,對礦壓和錨桿錨索受力情況進行監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析。如圖3所示,巷道掘進后30m處錨桿錨索的受力穩(wěn)定,煤幫較頂板錨固穩(wěn)定快,表明高預應力強力支護可使巷道快速進入穩(wěn)定狀態(tài)。煤幫的移近量不大于15mm,頂板下沉量不大于10mm,采用高預應力強力錨桿支護技術可有效控制圍巖變形。28202工作面回采后,巷道煤幫移近量最大485mm,頂板最大下沉量135mm,只對巷道起底,降低維修率。
圖3 錨桿錨索受力變化圖
(1)采用高預應力強力支護技術能保障巷道穩(wěn)定性。巷道掘進期間,巷道表面位移距工作面56m時處于穩(wěn)定狀態(tài),巷道變形發(fā)生在距工作面35~45m處,巷道兩幫最大移進量16mm,頂板最大下沉量5mm。鄰近28202工作面回采完畢,兩幫最大移進量為435mm,頂板最大下沉量135mm。
(2)28203工作面巷道采用屈服強度500MPa的高強度錨桿錨索支護,提高護表構(gòu)件的強度,在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大預應力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連,提高預應力承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。錨索施加高預應力和錨桿形成的壓應力區(qū)構(gòu)成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),形成對圍巖的主動支護。
(3)留設的煤柱寬度6m,在28202工作面大部分回采后,監(jiān)測顯示煤柱內(nèi)應力增加,易受屈服破壞,為此應加強巷道支護強度,保障圍巖的穩(wěn)定性,減少形變引起的破壞。