柴會(huì)斌
(山西霍寶干河煤礦有限公司,山西 臨汾 041602)
山西霍寶干河煤礦現(xiàn)階段主要負(fù)責(zé)井田范圍內(nèi)2#煤層的開采,2#煤屬于穩(wěn)定可采中厚煤層,煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。2#煤厚度介于1.5~2.18m,平均厚度1.84m,煤層傾角2°~8°,平均傾角5°。煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。第三采區(qū)地表位于工業(yè)廣場(chǎng)西南部,地表形態(tài)為黃土垣梁地貌,地表大部分為農(nóng)田,工作面位于平垣村保安煤柱范圍內(nèi),黃土覆蓋厚度23~59m,基巖厚426~479m。
該礦第三采區(qū)運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)斷面寬度為5.2m,高度為3.8m,巷道沿2#煤層頂板掘進(jìn)。當(dāng)成巷20d左右,三采區(qū)運(yùn)輸巷頂板下沉明顯,局部頂板下沉量達(dá)到1m,已影響巷道的正常使用。
山西霍寶干河煤礦2#煤層工作面采用綜合機(jī)械化一次采全厚回采工藝,由于煤層厚度較小,為滿足產(chǎn)量的要求,工作面推進(jìn)速度非常快,采煤工作面搬家頻繁,回采巷道掘進(jìn)速度較快,導(dǎo)致支護(hù)效果較差,巷道圍巖位移嚴(yán)重。該礦每個(gè)采區(qū)布置三條準(zhǔn)備巷道,分別為采區(qū)運(yùn)輸巷、軌道巷和回風(fēng)巷。巷道凈寬為5.2m,凈高為3.4m,掘進(jìn)斷面寬為5.5m,高為3.8m,準(zhǔn)備巷道間保護(hù)煤柱寬度為20.0m。第三采區(qū)運(yùn)輸巷的特點(diǎn)為:跨度大,半煤巷,掘進(jìn)斷面大。支護(hù)方式主要為普通的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),以錨桿支護(hù)為主,通過(guò)錨索提高支護(hù)強(qiáng)度,這種支護(hù)方式成巷后頂板明顯下沉,局部下沉量最大可達(dá)1.0m,嚴(yán)重影響煤炭的正常生產(chǎn),并且存在嚴(yán)重的安全問題。
表1 頂?shù)装逄卣鞅?/p>
圖1 巷道頂板破壞特征
原有支護(hù)體系下三采區(qū)運(yùn)輸巷的破壞特征如圖1 所示,圖1(a)為頂板下沉示意圖,下沉量在350~600mm,某些區(qū)域頂板下沉量可達(dá)到1000mm。由于要求較快的巷道掘進(jìn)速度,導(dǎo)致支護(hù)質(zhì)量整體較低,頂板風(fēng)化碎裂嚴(yán)重,局部出現(xiàn)錨索托板錨空、錨索斷裂等現(xiàn)象。巷道頂板冒落的主要形式為整體切落式冒落,切落角一般為65°左右,對(duì)一些冒頂區(qū)域挑頂后頂板巖層的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。煤巷下位頂板主要為泥巖,巖層內(nèi)層理、裂隙發(fā)育完全,分層較多,層間粘結(jié)力非常差,并且含有較多軟弱夾層,夾層厚度一般為0.1m 左右。
組合梁理論認(rèn)為,巷道頂板有多個(gè)巖層,可以看作是一種以道路兩側(cè)為支點(diǎn)的梁。錨桿用于將層結(jié)合成整體的組合梁,以防止巖石沿著層滑動(dòng)并避免層的分離。在上覆載荷作用下,該厚復(fù)合梁的最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力將大大減小,并且偏轉(zhuǎn)也將減小。根據(jù)組合梁理論建立如圖2 所示的受力模型,在未進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí),巷道頂板巖層為單獨(dú)的層狀薄板,在豎直方向上的應(yīng)力及水平力的作用下發(fā)生彎曲變形,并且存在著水平方向上的相互錯(cuò)動(dòng),頂板下沉量會(huì)較大,如圖2(a)所示。而經(jīng)過(guò)錨桿支護(hù)后將頂板巖層的軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行加固,將頂板巖層聯(lián)結(jié)為一個(gè)更為完整的梁,根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí),其彎曲變形在同等受力條件下會(huì)大大減少[1-2]。
為了有效地解決運(yùn)輸巷頂板巖層離層、圍巖變形量過(guò)大的問題,結(jié)合錨桿支護(hù)的組合梁理論、懸吊理論對(duì)大斷面煤巷層狀頂板的穩(wěn)定性控制進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,主要為了增強(qiáng)巷道頂板的連續(xù)性、整體性,避免頂板巖層之間的相互錯(cuò)動(dòng),加強(qiáng)巷道頂角處變形的治理,減少巷道的整體變形量。設(shè)計(jì)的錨桿、錨索支護(hù)體系主要原則為“長(zhǎng)短結(jié)合、強(qiáng)弱結(jié)合、疏密結(jié)合”,根據(jù)山西霍寶干河煤礦第三采區(qū)運(yùn)輸巷頂板跨度大、層間粘結(jié)性不強(qiáng)、層間含有較多軟弱夾層等的具體條件,設(shè)計(jì)應(yīng)用以長(zhǎng)錨桿、短錨索和長(zhǎng)錨索為主體結(jié)構(gòu)的支護(hù)體系,來(lái)提高圍巖的整體性,有效地降低由于巷道開挖對(duì)頂板的破壞[3-4]。
圖2 組合梁結(jié)構(gòu)示意圖
(1)長(zhǎng)錨桿:錨桿長(zhǎng)度為2.8~3.2m 之間。錨桿長(zhǎng)度必須大于極易冒頂?shù)姆欠€(wěn)定層邊界,采用全長(zhǎng)錨固,盡可能地將層狀頂板聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體,避免巖層間的錯(cuò)動(dòng)。根據(jù)準(zhǔn)備巷道斷面跨度較大、頂板分層較多并且非常薄,必須利用錨桿提供的預(yù)緊力在淺部頂板形成較高的法向應(yīng)力。綜合考慮設(shè)計(jì)頂板采用 MSGLW-500/22-3200 型高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,排距1.2m,間距1.0m,與兩幫煤壁的距離為0.25m。兩幫采用MSGLW-500/22-2800型高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,排距為1.2m。
(2)短錨索:錨索長(zhǎng)度為5.4m。該類型的錨索主要作用于非穩(wěn)定層和深部穩(wěn)定巖層之間的亞穩(wěn)定巖層,增強(qiáng)該區(qū)域內(nèi)巖層的整體性,增加頂板層間滑移阻力,在一定程度上繼續(xù)提高非穩(wěn)定層的整體性,提高其自穩(wěn)能力,將巷道頂板處的應(yīng)力集中轉(zhuǎn)化為一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)來(lái)承載。選用SKP22-1/1720-5400 型錨索,頂板短錨索排距為2.4m,間距為1.5m,與兩側(cè)煤壁的距離均為0.4m,對(duì)稱布置;煤幫采用相同型號(hào)的短錨索,排距為1.2m,間距為0.8m。
(3)長(zhǎng)錨索:錨索長(zhǎng)度為7.4m。根據(jù)懸吊理論,將非穩(wěn)定層及亞穩(wěn)定層聯(lián)結(jié)的整體通過(guò)長(zhǎng)錨索懸吊于上部的穩(wěn)定層中,有效地降低巷道頂板的應(yīng)力集中,增強(qiáng)巷道周圍煤巖體的整體性。根據(jù)回風(fēng)順槽頂板的發(fā)育情況,選用型號(hào)為SKP22-1/1720-7400型錨索,錨索的間排距與短錨索相同,與煤壁的距離為1.25m。
多個(gè)層次的支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3 所示。在安裝錨索位置處焊接兩段縱筋,在錨桿排距之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)型號(hào)為GW6.5/100-2.3×1.35,防止小塊煤巖體的掉落。在巷道兩個(gè)頂角處錨桿采用斜打頂角錨桿,抑制巷道的形狀扭曲。錨桿、長(zhǎng)錨索及短錨索形成連續(xù)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)共同承載,最終達(dá)到保證圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定的目的。
圖3 多層次錨桿支護(hù)體系示意圖
目前,干河煤礦第三采區(qū)運(yùn)輸巷已經(jīng)施工完畢,為考察支護(hù)的效果,在運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中,距離迎頭處20m、50m、100m 分別布置測(cè)點(diǎn)1、2、3,觀測(cè)新支護(hù)體系的應(yīng)用效果。監(jiān)測(cè)結(jié)果整理后如圖4所示。
圖4 巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果
由運(yùn)輸巷圍巖表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,第三采區(qū)運(yùn)輸巷圍巖變形主要集中在成巷后前50d 內(nèi),頂板下沉量最大可達(dá)70mm,兩幫移近量最大可達(dá)145mm,之后巷道圍巖基本穩(wěn)定。由此可知,通過(guò)采用多層次支護(hù)結(jié)構(gòu),能夠有效地治理第三采區(qū)運(yùn)輸巷頂板過(guò)度下沉的問題,使其滿足第三采區(qū)工作面通風(fēng)、運(yùn)煤和安全等要求。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巷道頂板圍巖挑頂觀察得知,第三采區(qū)運(yùn)輸巷頂板圍巖屬于層狀頂板,主要變形形式為頂板下沉。通過(guò)理論分析結(jié)合組合梁理論,設(shè)計(jì)有效的支護(hù)體系,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及巷道圍巖穩(wěn)定性觀測(cè)結(jié)果表明很好地控制了層狀頂板的過(guò)度下沉,滿足煤礦生產(chǎn)的要求。