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        應(yīng)力顯現(xiàn)條件下掘進(jìn)支護(hù)方式的研究與應(yīng)用

        2021-01-06 06:32:48龔亞光王建宇王永濤
        煤礦現(xiàn)代化 2021年1期
        關(guān)鍵詞:錨索頂板巷道

        龔亞光,王建宇,王永濤

        (兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦,山東 兗州272102)

        0 引 言

        興隆莊煤礦是國家“六五”期間自行設(shè)計(jì)和建造的第一座年產(chǎn)300 萬t 的大型現(xiàn)代化礦井,1981 年12 月正式投產(chǎn)使用。現(xiàn)核定生產(chǎn)能力已躍升至年產(chǎn)660 萬t。隨著礦井服務(wù)年限的不斷增加,采掘活動日益增多,掘進(jìn)工作面施工經(jīng)常會遇到一些特殊地質(zhì)條件,為確保掘進(jìn)期間的施工安全,增強(qiáng)掘進(jìn)巷道的穩(wěn)定性和安全性。通過對地質(zhì)條件、頂板變化和支護(hù)方式的分析、研究與總結(jié),不斷改進(jìn)優(yōu)化支護(hù)方式,為類似地質(zhì)條件下掘進(jìn)施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

        1 10309 運(yùn)順掘進(jìn)工作面簡介

        10309 運(yùn)順掘進(jìn)工作面位于劉家崗、大廟村南東,東灘礦以北。工作面標(biāo)高-392.7~-429.2m,所在煤層為下二疊系月門溝統(tǒng)山西組底部之3 煤,以亮煤為主,含鏡煤條帶,屬半亮型煤,煤層傾角2~8°,平均3°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在距頂板2.8~3.0m 處存在厚度約0.03m 的炭質(zhì)細(xì)砂巖夾矸,煤層厚度一般為8.1~10.28m,平均9.3m。普氏硬度系數(shù)f=2~3。

        本掘進(jìn)工作面所在煤層直接頂共有2 層,下層為粉砂巖,厚度2.7~4.3m,上層為砂質(zhì)粘土,厚度18.7~23.7m;直接底為中粒砂巖,厚度3.2~4.6m;基本底為泥質(zhì)細(xì)砂巖,厚度5.8~7.9m。地質(zhì)構(gòu)造簡單,煤層總體為一單斜構(gòu)造,發(fā)育次一級的波狀起伏,煤層傾向NW~SE。兩側(cè)均為實(shí)體煤掘進(jìn),且掘進(jìn)期間無斷層發(fā)育。

        10309 運(yùn)順掘進(jìn)工作面為綜掘工作面,設(shè)計(jì)長度約1045m,巷道采用凈寬4.8m,高度為3.5m 的矩形斷面,采用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護(hù)。

        2 工程施工概述

        10309 掘進(jìn)工作面施工過程中,根據(jù)規(guī)程設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)場應(yīng)力顯現(xiàn)等實(shí)際情況可大體分成3 個(gè)階段:①運(yùn)順機(jī)頭硐室施工階段;②應(yīng)力集中顯現(xiàn)施工階段;③正常施工階段。本文將針對應(yīng)力集中顯現(xiàn)階段進(jìn)行詳細(xì)地研究與分析。

        2.1 運(yùn)順機(jī)頭硐室施工階段

        1)10309 運(yùn)順掘進(jìn)工作面施工期間,為滿足回采期間的設(shè)備安裝需要,在施工初期同時(shí)施工處機(jī)頭硐室。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,機(jī)頭硐室長度約77m,共分為3 部分。

        第一部分:長度約13m,采用上寬6m、下寬7.8m、保證巷道高度2.7m 位置6.6m 的大梯形斷面,巷道高度4.0-~4.2m,坡度按0°施工。采用一次截割全寬的方式進(jìn)行施工。

        第二部分:長度約19m,采用上寬7m、下寬8.8m、保證巷道高度2.7m 位置7.6m 的大梯形斷面,巷道高度4.0~4.2m,坡度按-3°施工。采用先導(dǎo)硐后擴(kuò)寬的方式進(jìn)行施工。期間從四采下部集運(yùn)巷上方通過,實(shí)際凈煤柱約3.5m,在四采下部集運(yùn)巷內(nèi)共架棚18 架。

        第三部分:長度約45m,采用上寬4.8m、下寬6.0m、巷道高度4.0~4.2m 的直角梯形斷面,坡度按-3°施工。施工期間將漲緊硐室同時(shí)完成,漲緊硐室主體尺寸:長×寬=5.0m×2.5m。

        2)機(jī)頭硐室施工期間,雖然斷面相對較大,但并無明顯動力及應(yīng)力顯現(xiàn)情況出現(xiàn),頂板完整,施工較為順利。

        2.2 應(yīng)力集中顯現(xiàn)階段

        機(jī)頭硐室施工結(jié)束后,開始按-6°施工,當(dāng)10309 運(yùn)順施工至98m 位置時(shí)(為距10309 運(yùn)順起點(diǎn)位置,下同),巷道兩側(cè)底角均找至3 煤底板。然后,巷道開始沿右?guī)偷? 煤底板施工,為確保底板平整,左幫底部截割巖石0.5m~1.0m 不等。

        自該位置開始,巷道內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中顯現(xiàn)情況。主要表現(xiàn)為迎頭后方錨索斷裂、頂板下沉(即頂板離層儀讀數(shù)增大)、煤炮頻發(fā)等應(yīng)力顯現(xiàn)情況。針對出現(xiàn)的應(yīng)力集中顯現(xiàn)情況,通過對地質(zhì)條件、頂板變化和支護(hù)方式的分析、研究與總結(jié),不斷改進(jìn)優(yōu)化支護(hù)方式,最終實(shí)現(xiàn)安全掘進(jìn)。支護(hù)方式優(yōu)化過程主要經(jīng)過以下3 個(gè)階段。

        1)在98m-113m 施工期間,多次出現(xiàn)錨索斷裂、頂板下沉等情況出現(xiàn)。且經(jīng)統(tǒng)計(jì),錨索斷裂位置基本在工作面頂板以上2.5m-3.0m 之間,錨索斷裂具有明顯徑縮現(xiàn)象??梢酝茢嘣搮^(qū)域施工期間,錨索斷裂方式均為受拉力所致。為此,采取在85m-~113m 區(qū)域內(nèi)順巷布置2 條U 型鋼錨索梁及支設(shè)單體支柱的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

        2)鑒于上述應(yīng)力顯現(xiàn)情況,為確保工作面施工安全,在113m~188m 施工期間,隨掘進(jìn)施工,每隔一排(即排距為1.8m)布置一條U 型鋼錨索梁。修改支護(hù)方式后,仍出現(xiàn)錨索斷裂情況,但頂板下沉量減少,且錨索斷裂位置基本在錨索鎖具與鋼帶結(jié)合位置。由此,可以推斷該區(qū)域施工期間,錨索斷裂方式均為受剪切力所致。

        3)鑒于上述應(yīng)力顯現(xiàn)情況,為確保工作面施工安全,在188m~236m 施工期間,頂部支護(hù)方式修改為,隨迎頭掘進(jìn)每隔排布置一條20# 槽鋼錨索梁。支護(hù)參數(shù)修改后,未出現(xiàn)斷錨索情況,但頂板仍不穩(wěn)定,成型較差,需要每排施工超前錨桿用以控制頂板成型。尤其是196m~198m 頂板出現(xiàn)漏頂情況,漏頂高約2m、長度約3m。

        鑒于上述應(yīng)力現(xiàn)象情況,經(jīng)過研究分析決定,自236m~356m 施工期間,修改支護(hù)參數(shù)如下:

        1)將掘進(jìn)設(shè)計(jì)斷面由凈寬4.8m 縮短至凈寬4.6m;

        2)頂部錨桿的長度由2.4m 加長至2.8m。

        3) 將20# 槽鋼錨索梁的長度由3.0m 縮短至1.5m,并且每排布置一條槽鋼錨索梁配合2 條錨索。

        自此次修改支護(hù)方式后,頂板逐步趨于穩(wěn)定,成型變好?;径沤^錨索斷裂情況、頂板下沉量及煤炮明顯減少。由于可以推斷,該種支護(hù)方式符合現(xiàn)場需要,能夠滿足頂板支護(hù)強(qiáng)度要求。因此,在后續(xù)工作面掘進(jìn)期間均按照上述支護(hù)方式進(jìn)行施工,效果良好。

        2.3 正常施工階段

        經(jīng)過上述應(yīng)力顯現(xiàn)情況,多次優(yōu)化改進(jìn)支護(hù)方式后,工作面頂板趨于穩(wěn)定。因此,在后續(xù)工作面掘進(jìn)期間均按照上述支護(hù)方式進(jìn)行施工,直至全部工程施工結(jié)束。

        3 應(yīng)力顯現(xiàn)成因分析

        3.1 導(dǎo)致應(yīng)力顯現(xiàn)明顯的成因分析

        1)根據(jù)煤層柱狀圖可知,3 煤的上覆巖層中有一層厚度約18.7m~23.7m(平均厚度約21.75m)的砂質(zhì)粘土。掘進(jìn)截割后上覆巖層應(yīng)力重新分布,但由于該巖層承壓較弱且具有遇水膨脹等特性,導(dǎo)致掘進(jìn)巷道頂板變形嚴(yán)重,應(yīng)力顯現(xiàn)明顯。如圖1 所示。

        圖1 煤層柱狀圖

        2)該區(qū)域兩側(cè)均為實(shí)體煤掘進(jìn),掘進(jìn)施工前原巖應(yīng)力無任何釋放。掘進(jìn)截割后,巷道四周煤巖體的應(yīng)力重新分布,加之頂部支護(hù)強(qiáng)度不足,導(dǎo)致頂板受壓明顯,變形量較大等情況出現(xiàn)。

        3.2 頂板變化方面分析

        1)經(jīng)統(tǒng)計(jì),錨索受拉力斷裂范圍,大體上為距掘進(jìn)迎頭5~15m 范圍內(nèi)。換而言之,應(yīng)力顯現(xiàn)情況為隨工作面掘進(jìn)顯現(xiàn),即受采動影響所致。

        2)根據(jù)頂板離層儀變化曲線分析,如圖2 所示。

        圖2 頂板離層儀變化曲線

        根據(jù)10309 運(yùn)順的全部離層儀變化情況觀察,頂板下沉及變形大體可分為以下三個(gè)階段:

        驟變階段:掘進(jìn)0~7 天內(nèi),頂板有下沉及變形量,且變化較大。

        蠕變階段:掘進(jìn)7~15 天內(nèi),頂板有下沉及變形量,但變化相對較小。

        平穩(wěn)階段:掘進(jìn)15 天之后,頂板趨于平穩(wěn),基本無下沉及變形量。

        3.3 支護(hù)方面分析

        1)應(yīng)力明顯顯現(xiàn)初期,錨索斷裂位置基本在2.5m~3.0m 之間,且錨索斷裂均出現(xiàn)明顯徑縮現(xiàn)象。但該區(qū)域施工期間無錨桿斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)。如圖3 所示:

        由于錨索徑縮現(xiàn)象明顯,基本可以證實(shí)錨索斷裂多為受拉力所致。因此大體可說明,淺部支護(hù)(頂板錨桿支護(hù)范圍內(nèi))強(qiáng)度能夠滿足壓力變化,但深部支護(hù)(頂板錨索支護(hù)范圍內(nèi))強(qiáng)度無法滿足壓力變化。

        2)使用U 型鋼錨索梁隨迎頭掘進(jìn)期間,錨索斷裂位置基本在錨索鎖具與鋼帶結(jié)合位置,且錨索斷裂位置均為平滑切口。如圖4 所示:

        圖3 錨索徑縮現(xiàn)象

        圖4 錨索受剪切力斷裂

        因此,大體可說明,該區(qū)域施工期間,錨索斷裂多為受剪切力所致。

        經(jīng)分析認(rèn)為,導(dǎo)致該問題出現(xiàn)的原因主要為:頂板受壓變形,導(dǎo)致U 型鋼翻滾對錨索進(jìn)行剪切所致。

        4 支護(hù)方式研究確定

        1)縮小斷面:巷道凈寬縮小為4.6m 斷面,減少頂板承壓范圍;

        2)使用槽鋼:避免U 型鋼翻滾剪切錨索;

        3)使用2.8m 頂部錨桿[3]:加長頂部錨桿的長度,即加長頂板淺部支護(hù)范圍;

        經(jīng)過多次支護(hù)方式調(diào)整及現(xiàn)場實(shí)際情況證實(shí),以上措施能夠加強(qiáng)頂板的管控強(qiáng)度,提高支護(hù)的可靠性。支護(hù)效果較為明顯,且安全可靠。

        5 其他安全防護(hù)措施

        工作面掘進(jìn)施工期間,除采取上述支護(hù)方式外,為確保人身安全,補(bǔ)充采取以下兩種防范措施。

        1)在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)座位上方安裝防護(hù)罩,防止錨索斷裂下墜傷人。

        2)采取全包圍防護(hù)網(wǎng)的方式,對錨索進(jìn)行保護(hù),防止錨索斷裂及讓壓環(huán)崩斷傷人。

        如圖5 所示

        圖5 其他安全防護(hù)措施

        6 結(jié) 語

        通過對10309 運(yùn)順掘進(jìn)工作面在特殊地質(zhì)條件下,應(yīng)力集中顯現(xiàn)情況的研究與分析后,采取了適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式,取得了較為顯著的效果。至今,10309 運(yùn)順掘進(jìn)工作面已經(jīng)全部施工完畢,頂板管控效果明顯,未在出現(xiàn)錨索斷裂、頂板下沉及煤炮頻發(fā)等應(yīng)力顯現(xiàn)情況出現(xiàn)。由此可見,對10309 掘進(jìn)工作面應(yīng)力顯現(xiàn)成因分析及支護(hù)方式優(yōu)化改進(jìn),符合現(xiàn)場的實(shí)際情況,為類似條件的掘進(jìn)施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),具有非常重要借鑒意義。

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