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        厚煤層破碎頂板巷道斷面及支護(hù)優(yōu)化研究

        2019-11-30 08:04:04牛國強(qiáng)
        山東煤炭科技 2019年11期
        關(guān)鍵詞:鋼棚回風(fēng)順拱形

        牛國強(qiáng)

        (潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司,山西 長治 046100)

        1 概況

        潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司N1206回風(fēng)順槽位于井田北風(fēng)井西翼采區(qū),巷道北接膠帶大巷,南側(cè)為實(shí)體煤,西側(cè)為綜采工作面,東側(cè)為N1207回風(fēng)順槽,巷道設(shè)計(jì)總長度為927m,設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.5×3.8m。

        N1206回風(fēng)順槽掘進(jìn)煤層為石炭系3#煤層,平均厚度為6.34m。煤層含有一層偽頂,主要以泥巖為主,平均厚度為0.8m;直接頂主要以泥巖與砂巖混合層為主,平均厚度為2.5m;基本頂主要以粗砂巖為主,平均厚度為9.1m。施工巷道從盤區(qū)回風(fēng)巷沿3#煤層底板開口掘進(jìn),預(yù)留頂煤厚度為2.6m,巷道開口掘進(jìn)30m及60m后分別與盤區(qū)軌道巷、膠帶大巷貫通,然后構(gòu)筑風(fēng)橋后巷道繼續(xù)掘進(jìn)。

        N1206回風(fēng)順槽初步支護(hù)設(shè)計(jì)中,頂板采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。每排布置5根錨桿,錨桿長度為2.0m,每排錨桿配套一根M型鋼帶,長度為4.2m,錨桿間排距為1.0m;頂板錨索長度為4.5m,每排布置三根,間距為1.8m,排距為3.0m,錨索外露端采用一根長度為0.6m工字鋼梁及鎖具進(jìn)行預(yù)緊。

        N1206回風(fēng)順槽采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝,巷道已掘進(jìn)483m。根據(jù)余吾礦地測科提供資料顯示,施工巷道掘進(jìn)至470m處位于巷道北側(cè)25m處揭露一條F3逆斷層,斷層落差為2.8m,傾角為42°,斷層走向與巷道走向一致。受斷層應(yīng)力影響,施工巷道掘進(jìn)至475m處進(jìn)入應(yīng)力破碎區(qū),預(yù)計(jì)長度為31m。

        施工巷道在470~483m掘進(jìn)階段,由于頂板壓力大,頂煤承載能力低,出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象,原頂板支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重。為了加強(qiáng)頂板穩(wěn)定性,決定對頂板架設(shè)鋼棚及施工加長錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。但是由于鋼棚屬于被動支護(hù),頂壓加大時鋼棚變形嚴(yán)重,同時受支護(hù)鉆孔施工擾動破壞影響,在施工加長錨索時,進(jìn)一步破壞了頂板整體性,造成頂板破碎范圍擴(kuò)大,未起到預(yù)期加強(qiáng)支護(hù)作用。

        2 巷道斷面及工藝優(yōu)化

        (1)為了提高頂板煤承載能力,降低垂直應(yīng)力對頂板破壞作用,通過研究決定,對N1206回風(fēng)順槽應(yīng)力破碎區(qū)域巷道斷面進(jìn)行優(yōu)化。決定將應(yīng)力區(qū)巷道設(shè)計(jì)為半圓拱形斷面,巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5×3.8m,其中上部拱形斷面高度為2.25m,下部矩形斷面高度為1.55m。半圓拱形斷面松動爆破與機(jī)械聯(lián)合掘進(jìn)施工工藝。

        (2)首先施工巷道半圓拱形斷面的松動爆破鉆孔,共計(jì)布置三排扇形松動爆破孔,每排布置10個爆破孔,孔排距為1.0m,炮孔深度為1.2m,炮孔垂直煤壁布置。

        (3)為了保證拱形斷面施工質(zhì)量,爆破施工前在拱形外圍施工一排扇形超前撞楔錨桿支護(hù)。共計(jì)施工15根,每排超前支護(hù)深度為1.2m,相鄰兩排超前支護(hù)交錯布置。

        (4)超前支護(hù)及松動爆破鉆孔施工完后,對下部矩形斷面采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn),單茬掘進(jìn)深度為1.2m。

        (5)下部斷面機(jī)械掘進(jìn)后,對上部拱形斷面松動炮孔依次填裝礦用乳化炸藥及毫秒延期電雷管。每孔裝藥量不得大于300g,每孔封孔長度不得低于0.5m,爆破腳線采用串聯(lián)連接方式,每次允許爆破炮孔數(shù)量不得超過5個。全斷面掘進(jìn)完成后及時清理工作面浮煤,并補(bǔ)打頂板永久支護(hù)。

        (6)巷道在爆破施工前必須在所有可能進(jìn)入爆破地點(diǎn)入口攔人設(shè)警戒,警戒距離不得低于120m。爆破施工時嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢、三人連鎖”放炮制度。

        3 支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

        為了提高應(yīng)力區(qū)破碎頂板支護(hù)強(qiáng)度,減小鉆孔施工擾動破壞影響,降低支護(hù)成本費(fèi)用,決定對應(yīng)力區(qū)巷道頂板采取錨棚聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

        3.1 施工工藝

        (1)錨棚支護(hù)主要由U29型鋼棚、錨索、連接桿、護(hù)板等部分組成。U29型鋼棚主要由棚腿、頂梁、卡纜、連接桿等部分組成,頂梁共計(jì)焊制5個圓孔,孔徑為40mm。

        (2)巷道施工完后,在巷道兩幫處安裝U29型鋼棚棚腿,棚腿長度為1.55m,棚腿安裝后采用固定錨桿將棚腿與巷幫進(jìn)行固定,如圖1所示。

        (3)兩根棚腿安裝后,將頂梁兩端插入棚腿內(nèi),疊加長度不得低于0.2m,然后采用卡纜進(jìn)行固定并進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力不得低于200N·m。頂梁安裝時保證頂梁面與巷道拱形面接觸嚴(yán)實(shí)。

        (4)一架拱形鋼棚安裝后,采用MT-30型風(fēng)動鉆機(jī)配套六棱中空鉆桿,以及直徑為30mm“八”字型鉆頭進(jìn)行頂板鉆孔施工,鉆孔深度為8.0m,共計(jì)5個,鉆孔與鋼棚頂梁圓孔對應(yīng)布置。

        (5)頂板鉆孔施工完后,在鉆孔內(nèi)依次填裝錨固劑及長度為8.0m高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索,錨索外露長度為0.3m,外露端采用一根長度為0.25m工字鋼梁及鎖具將鋼棚頂梁與頂板進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力不得低于180kN。

        (6)第一架錨棚支護(hù)施工完后,以相同工序施工第二架錨棚支護(hù),棚間距為1.0m。相鄰兩架錨棚頂梁之間采用15根長度為1.0m、直徑為22mm螺紋鋼拉桿進(jìn)行連接,螺紋拉桿與頂板預(yù)留間隙為0.15m,在欄桿與頂板之間安裝長度為1.0m、寬度為0.2m鋼筋水泥背板,使巷道頂板形成砌碹結(jié)構(gòu)。

        圖1 N1206回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)破碎頂板錨棚支護(hù)示意圖

        3.2 錨棚支護(hù)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

        (1)降低支護(hù)成本。應(yīng)力區(qū)破碎頂板傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)中每米需施工5根單錨桿、一根M型鋼帶、一根錨索,在后期還需安裝一架鋼棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),支護(hù)成本費(fèi)用2147元/m。采用錨棚支護(hù)技術(shù)后,巷道每米需施工5根單錨索以及一架U29型鋼棚,支護(hù)成本費(fèi)用為1050元/m,大大降低了巷道支護(hù)成本費(fèi)用,而且與傳統(tǒng)支護(hù)工藝相比,錨棚支護(hù)工藝簡單,縮短了巷道支護(hù)時間。

        (2)支護(hù)效果好。錨棚支護(hù)技術(shù)將鋼棚與單錨索相結(jié)合對頂板進(jìn)行聯(lián)合支護(hù),彌補(bǔ)了單一主動支護(hù)或被動支護(hù)的不足。通過主動與被動相結(jié)合的方式對頂板進(jìn)行支護(hù),改變了頂板力學(xué)性質(zhì),減小了頂板應(yīng)力破壞作用,增加了頂板穩(wěn)定性。

        (3)應(yīng)用領(lǐng)域廣。錨棚支護(hù)不僅可用于掘進(jìn)巷道破碎頂板中,而且還可用于其他工作面破碎頂板中,如大斷面硐室、大斷面切巷以及回采面端面破碎頂板中,同時在其他領(lǐng)域中也可進(jìn)行應(yīng)用,如隧道、石油、橋梁等,應(yīng)用區(qū)域及前景廣。

        (4)存在的不足:①對鋼棚架設(shè)技術(shù)要求相對嚴(yán)格,鋼棚架設(shè)質(zhì)量直接影響錨棚支護(hù)質(zhì)量;②錨棚支護(hù)時勞動強(qiáng)度大,一架錨棚支護(hù)需4人配合施工;③錨棚支護(hù)施工完后10d內(nèi),需安排專人對錨棚進(jìn)行觀察,出現(xiàn)錨棚失效時必須及時更換。

        4 結(jié)束語

        對N1206回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)巷道斷面進(jìn)行優(yōu)化,提出了錨棚支護(hù)技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用效果表明,半圓拱形斷面降低了垂直應(yīng)力對頂板破壞力度,提高了頂板支護(hù)效果,可節(jié)約成本費(fèi)用達(dá)3.2萬元。N1206回風(fēng)順槽過應(yīng)力破碎區(qū)掘進(jìn)速度由原來的2.4m/d提高至6.7m/d。在錨棚支護(hù)施工完后7d范圍內(nèi),頂板出現(xiàn)局部下沉現(xiàn)象,最大下沉量僅為0.12m,錨棚支護(hù)未出現(xiàn)失效現(xiàn)象,取得了顯著成效。

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