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        正益煤業(yè)11-102運(yùn)輸巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

        2020-01-17 06:47:24李建平
        煤礦現(xiàn)代化 2020年1期
        關(guān)鍵詞:幫部礦壓錨索

        李建平

        (山西焦煤集團(tuán)介休正益煤業(yè)有限公司,山西 晉中 032099)

        1 工程概況

        正益煤業(yè)11-102工作面,主采11#煤層,地面標(biāo)高+1220.6~+1266.1,井下標(biāo)高+1007~+1055m。煤層厚度2.6~3.0m,平均為2.8m,煤層賦存穩(wěn)定,煤層傾角7°~15°,平均傾角10°。工作面運(yùn)輸巷斷面形狀為3.8m×2.7m的矩形,巷道總長(zhǎng)度為426m。11號(hào)煤層基本頂為砂質(zhì)泥巖,均厚2.55m;直接頂為泥巖細(xì)砂巖互層,均厚0.82m;直接底為石灰?guī)r,均厚0.4m;基本底為泥巖,均厚2.35m,煤層頂?shù)装鍘r層具體情況如表1所示。巷道原錨索桿支護(hù)強(qiáng)度不足,巷道頂板拉裂、離層,煤幫鼓出、塌落,巷道破壞情況如圖1所示,急需采取有效措施提高圍巖穩(wěn)定性。

        表1 頂?shù)装鍘r層性質(zhì)

        圖1 巷道破壞情況

        2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

        2.1 巷道圍巖變形規(guī)律

        圖2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

        通過(guò)在運(yùn)輸巷布置一處礦壓監(jiān)測(cè)站,得到了初期支護(hù)后20d圍巖基本變形規(guī)律如圖2所示。由圖2(a)、圖2(b)可知,運(yùn)輸巷在原支護(hù)下頂板和兩幫的變形量具有明顯的時(shí)效性,隨時(shí)間呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),并在20d左右趨于穩(wěn)定。其中,兩幫移進(jìn)量達(dá)到117mm,頂板下沉量達(dá)到180mm,巷道在原支護(hù)下不能滿(mǎn)足安全生產(chǎn)要求。

        2.2 巷道頂板穩(wěn)定性分析

        11-102運(yùn)輸巷直接頂為泥巖細(xì)砂巖互層,巷道上覆巖層平均容重為γ=25kN/m3,將直接頂視為兩層獨(dú)立的巖梁[1]。上層為厚度為h1=0.42m的細(xì)砂巖,泊松比ν1=0.22,彈性模量為E1=2.4×103MPa,對(duì)于上層直接頂有:

        下層為厚度h2=0.4m的泥巖,泊松比ν2=0.12,彈性模量為E2=3.2×103MPa,下層直接頂有:

        由于直接頂為上下兩層巖體構(gòu)成,我們可以通過(guò)錨桿(索)將兩層巖體加固成組合梁結(jié)構(gòu),加固后直接頂?shù)膹椥阅A亢筒此杀葧?huì)顯著提高:

        組合梁結(jié)構(gòu):

        由上式可知,11-102運(yùn)輸巷在加固前存在頂板離層現(xiàn)象,通過(guò)錨桿(索)加固后,直接頂形成組合梁結(jié)構(gòu),可以大大的提高頂板巖層的穩(wěn)定性[2]。但是在原支護(hù)下,錨索長(zhǎng)度不足,錨索不能發(fā)揮承載能力,難以將直接頂形成組合梁結(jié)構(gòu),巷道頂板出現(xiàn)拉裂、離層的情況。選用長(zhǎng)度較長(zhǎng)的錨索可以頂板的穩(wěn)定性可以得到保障,但是同時(shí)也需要考慮節(jié)省材料。由于直接頂為泥巖細(xì)砂巖互層,錨索應(yīng)將整個(gè)直接頂固定為一個(gè)整體,再將軟弱巖層錨固在上部穩(wěn)定巖層上,共同承受巷道上部壓力。

        2.3 巷道幫部穩(wěn)定性分析

        已知巷道高度為h=2.7m,設(shè)頂板與幫部的摩擦角φ0=18°,粘聚力c0=0.3MPa,上覆巖層平均容重γ=26kN/m3,應(yīng)力集中系數(shù)k=2,煤體與頂板界面的切向剛度系數(shù)β=0.14,支護(hù)反力P=31.3MPa,得幫部極限平衡區(qū)寬度為[3]:

        幫部破裂區(qū)寬度為:

        幫部塑性區(qū)寬度為:

        由上式可知,11-102運(yùn)輸巷幫部幫部極限平衡區(qū)寬度為4.0m,幫部破裂區(qū)寬度為1.92m,幫部塑性區(qū)寬度為2.08m。可以確定巷幫需要加固深度至少為1.92m,錨桿對(duì)破裂區(qū)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行加固,經(jīng)過(guò)破裂區(qū)后前端進(jìn)入塑性區(qū),使破壞區(qū)與塑性區(qū)形成一個(gè)整體,來(lái)共同承受幫部壓力,抵抗圍巖變形[4]。

        3 圍巖控制效果分析

        3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

        根據(jù)對(duì)巷道圍巖變形規(guī)律及穩(wěn)定性分析,為防止巷道圍巖劇烈變形,應(yīng)制定相應(yīng)的圍巖支護(hù)方案。根據(jù)11-102工作面運(yùn)輸巷的具體情況,再結(jié)合巷道圍巖穩(wěn)定性分析,對(duì)巷道圍巖支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì):①巷道頂板錨桿規(guī)格為Φ20mm×L2000mm,每排5根,間排距為850×800mm,兩端錨桿與水平方向呈75°夾角,并鋪設(shè)800×800mm的鋼筋網(wǎng),網(wǎng)孔為50×50mm;②巷道頂板單體錨索選用Φ17.8mm×L7000mm的高預(yù)應(yīng)力錨索,錨索拉力不低于30MPa,錨索排間距為2400×1600mm,每排兩根;③由2.3節(jié)可知巷道幫部錨桿至少為1.92m,因此巷道兩幫選用規(guī)格為Φ20mm×L2000mm的錨桿,錨固力不低于80kN,間排距為850×800mm,兩幫各3根,上、下兩端錨桿與水平方向夾角為15°錨索托板采用300mm×300mm×16mm的鼓形鐵托板,并鋪設(shè)800×800mm的鋼筋網(wǎng),網(wǎng)孔為50×50mm。

        3.2 圍巖控制效果分析

        為了檢驗(yàn)巷道圍巖支護(hù)效果,優(yōu)化錨桿設(shè)計(jì)方案,在試驗(yàn)段巷道每隔5m布置一個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)站,對(duì)11-102工作面圍巖表面變形量持續(xù)監(jiān)測(cè)直至數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定,礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

        對(duì)巷道圍巖位移量進(jìn)行了40d的監(jiān)測(cè),巷道圍巖隨時(shí)間變形趨勢(shì)基本相同,在30d后頂板累計(jì)下沉量穩(wěn)定在30mm,累計(jì)底臌量達(dá)到39mm,兩幫移進(jìn)量累計(jì)達(dá)到24mm。可以看出,巷道圍巖的變形破壞程度得到了明顯改善。

        圖3 巷道圍巖礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

        同時(shí),在試驗(yàn)段圍巖布置鉆孔并安裝多點(diǎn)位移計(jì),對(duì)圍巖不同深度位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到巷道頂板的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示,巷道幫部圍巖的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示,巷道底板的的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

        圖4 巷道頂板深部位移曲線

        圖5 巷道幫部深部位移曲線

        圖6 巷道底板深部位移曲線

        由圖5可得,在支護(hù)后的10d內(nèi),頂板下沉量不斷增加,在50d時(shí)頂板各深度位移量基本穩(wěn)定,深度為 1.2m、1.6m、2.0m、2.5m、3.0m、6.0m 處頂板下沉量分別為 14.9mm、22mm、27.1mm、31.7mm、35.9mm 及39.7mm,隨著頂板深度的不斷增加,相對(duì)圍巖變形位移量逐漸減少,也就是說(shuō)越淺的位置所受到擾動(dòng)越大,圍巖變形量越大[5],最大變形量發(fā)生在0~1.2m內(nèi),變形量達(dá)到14.9mm,占總變形位移量的38%,頂板變形得到有效控制。

        由圖6可知,在支護(hù)后的15d內(nèi),兩幫移進(jìn)量不斷增加,之后在50d時(shí)幫部各深度位移量基本穩(wěn)定,深度為0.8m、1.2m、1.6m、2.0m處兩幫移進(jìn)量分別為12.2mm、15.7mm、18.2mm及19.8mm,最大變形量發(fā)生在0~0.8m內(nèi),變形量達(dá)到12.2mm,占總變形位移量的62%,表明在幫部錨桿作用下,幫部圍巖的位移變形穩(wěn)定在較小的范圍內(nèi)。

        由圖7可得,在支護(hù)后的25d內(nèi),底臌量不斷增加,之后在50d時(shí)底板各深度位移量基本穩(wěn)定,深度為 1.2m、1.6m、2.0m、2.5m、3.0m、6.0m 處底臌量分別為 13.4mm、20.4mm、26.7mm、31.5mm、34.5mm 及37.2mm,最大變形量發(fā)生在0~1.2m內(nèi),變形量達(dá)到13.4mm,占總變形位移量的45%,現(xiàn)支護(hù)對(duì)巷道底臌起到了積極作用。

        4 結(jié) 論

        針對(duì)正益煤業(yè)11-102運(yùn)輸巷的具體情況,通過(guò)對(duì)巷道圍巖變形規(guī)律及穩(wěn)定性分析,提出了針對(duì)11-102工作面運(yùn)輸巷道的支護(hù)方案,并結(jié)合工作面實(shí)際情況對(duì)圍巖控制措施進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,在現(xiàn)有支護(hù)方式下,巷道頂板累計(jì)下沉量為30mm,底臌量為39mm,兩幫移進(jìn)量為24mm,且圍巖深部位移穩(wěn)定在較小范圍內(nèi),可知該種支護(hù)手段極大地改善了圍巖穩(wěn)定性,滿(mǎn)足了安全生產(chǎn)要求。

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