李張晉

(山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司,山西 晉城 048000)

1 礦井概況

山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9 Mt/a,公司現(xiàn)進(jìn)行下組煤水平延深項(xiàng)目建設(shè),9#煤層與15#煤層聯(lián)合布置,投產(chǎn)后進(jìn)行9#煤層開采,15#煤主要構(gòu)成回風(fēng)系統(tǒng),井底布置有主要硐室。15#煤層位于太原組一段上部,K2灰?guī)r之下,厚1.50 m(莒補(bǔ)2)～7.30 m(莒6),平均厚3.86 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單—極復(fù)雜,含0～6層矸石,矸石厚0.03 m(莒4、莒8)～1.16 m(莒補(bǔ)3),全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層直接頂板為黑灰色厚層狀堅(jiān)硬石灰?guī)r,平均厚10.93 m;底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖,局部為鋁質(zhì)泥巖。該煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

15#煤層各巷道、硐室之間的連接主要有十字交叉等連接方式構(gòu)成。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，15#煤層頂板變化復(fù)雜,該煤層主要巷道服務(wù)時(shí)間長,斷面尺寸大,故巷道兩幫及頂?shù)装迕簬r體應(yīng)力在15#煤層巷道開拓期間的分布規(guī)律將直接影響巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、巷道支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)的選擇[1-4]。因此,有必要論證15#煤層大巷合理支護(hù)技術(shù)方案與參數(shù),為15#煤層巷道開拓提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 工作面強(qiáng)度測試

采用中國礦業(yè)大學(xué)巖層控制實(shí)驗(yàn)室CMT5000電液剛性伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行莒山礦15#煤煤塊物理與力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。

在15#煤巷道中進(jìn)行取樣,加工成100 mm×50 mm×50 mm、50 mm×50 mm×50 mm和25 mm×50 mm×50 mm的長方體進(jìn)行試驗(yàn)。從所取煤巖樣外觀上來看,15#煤煤塊的受力破壞過程經(jīng)歷了明顯的彈性變形——屈服——破壞的過程,變形量較大,基本維持在1.5 mm～2.0 mm之間,破壞后具有一定的承載性能。由測試結(jié)果可知,15#煤的單軸抗壓強(qiáng)度為16.31 MPa,煤塊的抗拉強(qiáng)度平均值為1.87 MPa。煤樣的抗拉強(qiáng)度較低,煤樣承受抗拉載荷能力較小。15#煤煤樣的內(nèi)聚力c為3.15 MPa,內(nèi)摩擦角φ為18.70°。煤樣的抗剪斷強(qiáng)度較低,煤樣的內(nèi)摩擦角不大,可見煤樣的強(qiáng)度也較低。

現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn),雖然巷道施工現(xiàn)場進(jìn)行多處挑頂處理,但依然有個(gè)別破碎的較大塊煤懸在頂板,存在安全隱患?，F(xiàn)場勘查和實(shí)驗(yàn)研究充分證明了15#煤強(qiáng)度較差,容易破碎,給施工現(xiàn)場造成很大的安全隱患。因此,必須對15#煤巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),為巷道掘進(jìn)以及煤炭生產(chǎn)提供安全保障。

3 大巷掘進(jìn)支護(hù)方案

巷道為矩形斷面,尺寸為5 000 mm×3 000 mm。因15#煤大巷服務(wù)時(shí)間長,為防止煤層風(fēng)化與自燃,建議進(jìn)行噴漿處理,噴層厚度為100 mm。考慮支護(hù)厚度,15#煤巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面尺寸為5 200 mm×3 100 mm。

3.1 錨網(wǎng)噴初次支護(hù)

錨桿采用高性能螺紋鋼錨桿,規(guī)格為Φ20 mm×2 000 mm,桿體采用直徑為22 mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋,鋼號BHRB400,桿尾螺紋為M22,頂錨桿和幫錨桿間排距均為800 mm×800 mm,錨桿孔直徑為28 mm;采用1卷K2335、1卷Z2360型樹脂藥卷加長錨固,錨固長度不少于0.5 m,頂錨桿最低錨固力120 kN,預(yù)緊扭矩均在230 N·m以上,幫錨桿最低錨固力80 kN,預(yù)緊扭矩均在220 N·m以上;托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤,規(guī)格為120 mm×120 mm×8 mm。

鋼筋托梁采用Φ14 mm的螺紋鋼焊接而成,在安裝錨桿位置各焊接兩段縱筋,縱筋間距為100 mm。兩相鄰的鋼筋托梁搭接,利用錨桿壓緊搭接的兩根鋼筋托梁[5]。鋼筋網(wǎng)采用10#鐵絲編織,網(wǎng)格為100 mm×100 mm,金屬網(wǎng)搭接長度100 mm,搭接處用雙股14#鐵絲雙股雙排扣綁扎連接,搭接處必須利用鋼筋托梁和錨桿壓緊。噴射混凝土強(qiáng)度等級C20,配合比為1：2：2,摻3%～5 %速凝劑,初噴厚度50 mm左右,要覆蓋住錨桿托盤。

3.2 錨索加強(qiáng)支護(hù)

在完成錨網(wǎng)噴初次支護(hù)之后,及時(shí)進(jìn)行錨索加強(qiáng)支護(hù)。錨索直徑為17.8 mm,錨索長度為8 300 mm,錨索采用3-0-2-0方式布置,間排距為1 600 mm×1 600 mm;孔徑為Φ32 mm,采用1卷CK2335、2卷Z2360型樹脂藥卷加長錨固;其極限承載力為355 kN;采用高強(qiáng)度可調(diào)型托盤,規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm,并采用專用錨具與設(shè)備進(jìn)行張拉、固定和切割。

頂板錨索施工完成后,進(jìn)行復(fù)噴混凝土。復(fù)噴混凝土厚度50 mm,使噴層總厚度達(dá)到100 mm,并要覆蓋住錨索托盤。5 m寬的大巷沿煤層底板布置,其具體支護(hù)方案與參數(shù)見圖1。

1-a 5 m寬大巷斷面支護(hù)圖

1-b 5 m寬大巷頂板支護(hù)俯視圖單位：mm圖1 5 m寬大巷支護(hù)示意圖(沿煤層底板布置)Fig.1 Supporting diagram of 5-meter roadway(arranged along the coal floor)

3.3 底板處理

由于煤層厚度的變化,若底板巖性較差時(shí),建議對底板進(jìn)行硬化處理,以維持煤幫的穩(wěn)定及安全[6];鋪底厚度為100 mm,混凝土強(qiáng)度不低于C15。若巷道底板底臌嚴(yán)重時(shí),建議對底板進(jìn)行處理,可采用錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)或自鉆式內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行加固。

當(dāng)大巷的頂煤厚度大于2.0 m,在掘進(jìn)時(shí)可維持煤巷頂板的基本穩(wěn)定;當(dāng)頂煤厚度小于2.0 m,在掘進(jìn)時(shí)(鉆爆法施工)則會出現(xiàn)頂煤掉落或大面積冒落現(xiàn)象,煤巷頂板控制較為困難。為防止頂煤掉落現(xiàn)象,建議采用以下措施:

1)減小掘進(jìn)進(jìn)尺,加強(qiáng)超前支護(hù)。循環(huán)進(jìn)尺由2.0 m減小為1.0 m,同時(shí)可采用前探梁臨時(shí)支護(hù)。

2)前探梁由Φ81 mm鋼管制作,長度為4 500 mm/根,3根循環(huán)使用。

3)吊環(huán)采用Φ22 mm圓鋼制作,背板為50 mm×50 mm×1 400 mm的方木,懸吊在上一循環(huán)打好的錨桿上,煤巷掘進(jìn)時(shí)的超前支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖2。

2-a 平面圖

2-b 立面圖圖2 超前支護(hù)方式示意圖Fig.2 Advanced supporting diagram

4 交叉點(diǎn)錨索加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

巷道交叉點(diǎn)錨網(wǎng)噴初次支護(hù)技術(shù)與常規(guī)巷道掘進(jìn)支護(hù)方案相同,二次進(jìn)行交叉點(diǎn)錨索加強(qiáng)支護(hù)。

4.1 交叉點(diǎn)頂錨索加強(qiáng)支護(hù)

頂錨索直徑為17.8 mm,錨索長度沿底掘進(jìn)時(shí)為8 300 mm,沿頂掘進(jìn)時(shí)為6 300 mm;孔徑為32 mm,采用1卷CK2335、2卷Z2360型樹脂藥卷加長錨固;其極限承載力為355 kN;采用高強(qiáng)度可調(diào)型托盤,規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm,并采用專用錨具與設(shè)備進(jìn)行張拉、固定和切割。

沿煤層底板掘進(jìn)時(shí),在距離交叉點(diǎn)10 m左右的范圍,兩條巷道錨索布置方式均由常規(guī)的3-0-2-0布置變?yōu)?-0-3-0布置,錨索間距1 600 mm,排距1 600 mm,錨索加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 5 m寬巷道與5 m寬巷道交叉點(diǎn)影響區(qū)域頂板錨索加強(qiáng)支護(hù)Fig.3 Roof anchor cable reinforcement support for affected areas at intersections between two 5-meter wide roadways

4.2 交叉點(diǎn)幫錨索加強(qiáng)支護(hù)

交叉點(diǎn)幫部錨索直徑為17.8 mm,沿煤層底板掘進(jìn)長度為6 300 mm;孔徑為32 mm,采用1卷CK2335、2卷Z2360型樹脂藥卷加長錨固;其極限承載力為355 kN;采用高強(qiáng)度可調(diào)型托盤,規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm,并采用專用錨具與設(shè)備進(jìn)行張拉、固定和切割。在交叉點(diǎn)4個(gè)拐角處分別布置一排幫錨索,錨索間距為800 mm,幫錨索布置見圖4。

圖4 巷道垂直交叉幫部錨索加強(qiáng)支護(hù)示意圖Fig.4 Anchor cable reinforcement at the vertical intersections of roadways

在頂板與兩幫處錨索施工完成后,進(jìn)行復(fù)噴混凝土。復(fù)噴混凝土厚度50 mm,使噴層總厚度達(dá)到100 mm,并要覆蓋住錨索托盤。交叉點(diǎn)施工后,若巷道交叉點(diǎn)變形較為劇烈、破壞嚴(yán)重,建議對交叉點(diǎn)前后10 m范圍內(nèi)的巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),以保證交叉點(diǎn)處巷道圍巖穩(wěn)定與安全。

5 監(jiān)測檢驗(yàn)

在掘進(jìn)工程中,對錨網(wǎng)支護(hù)定量進(jìn)行抽檢實(shí)驗(yàn)。巷道支護(hù)每隔40 m(且在噴漿覆蓋前)布置3個(gè)測點(diǎn),十字檢查口處布置3個(gè)測點(diǎn),進(jìn)行錨網(wǎng)的拉拔力及扭矩力抽檢實(shí)驗(yàn),經(jīng)檢驗(yàn)頂錨桿拉拔力均不低于120 kN,幫錨桿拉拔力均不低于80 kN,預(yù)緊力均大于200 N·m。

頂板離層指示儀緊靠掘進(jìn)工作面安設(shè),布置在巷道寬度的中間,深部錨固點(diǎn)應(yīng)固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)300 mm以上,淺部錨固點(diǎn)固定在錨桿端部深度相同的位置,見圖5。頂板離層指示儀安裝后即可測讀頂板離層值。孔口測讀裝置上所顯示的顏色反映出頂板離層的范圍及所處的狀態(tài),綠色表示安全,黃色表示警告,紅色表示危險(xiǎn);顯示的數(shù)值表示錨桿區(qū)內(nèi)、外頂板離層值。

圖5 頂板離層布點(diǎn)圖Fig.5 Layout plan at the separation layer of roof

頂板離層指示儀監(jiān)測頂板巖層錨固范圍內(nèi)外位移值,巷道揭露后頂板離層監(jiān)測結(jié)果為:

頂板離層值在巷道圍巖暴露后,隨時(shí)間推移緩慢增加,但很快趨于穩(wěn)定,且總的頂板離層值控制在10 mm 以內(nèi);主要以淺部錨桿錨固段離層為主,深部基本無離層。掘進(jìn)過程中,對測站錨桿受力進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測,其變化曲線見圖6所示。

6-a 1號觀測站處錨桿受力變化曲線

6-b 2號觀測站處錨桿受力變化曲線圖6 錨桿受力變化曲線Fig.6 Force curve of anchor bolts

6 結(jié)論

1)現(xiàn)場勘查和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),15#煤層強(qiáng)度低,容易破碎,給施工現(xiàn)場造成很大的安全隱患。因此必須對15#煤巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2)15號煤煤巷掘進(jìn)采用錨網(wǎng)噴初次支護(hù)及錨索加強(qiáng)支護(hù)的方式進(jìn)行煤巷支護(hù)。

3)在大巷交叉點(diǎn)采用錨網(wǎng)噴初次支護(hù)技術(shù),并在頂板和兩幫進(jìn)行錨索加強(qiáng)支護(hù)。

4)在巷道交叉點(diǎn)影響區(qū)域采用坑木接頂處理(范圍為原巷道兩側(cè)各10 m區(qū)域),以保證巷道交叉點(diǎn)圍巖的基本穩(wěn)定及使用安全。