劉 松 代衛(wèi)林
(冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦,河北 邯鄲 056000)
冀中能源峰峰集團(tuán)九龍礦為突出礦井,井底大巷標(biāo)高為-600 m。采煤工作面巷道采用四巷布置,分別是進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、底抽巷和高抽巷。15247S回風(fēng)巷與15245S 進(jìn)風(fēng)巷之間的凈煤柱寬10 m,利用原1501S 工作面(已回采結(jié)束)回風(fēng)運(yùn)料石門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)。15247S 工作面巷道埋深在700~826 m之間,屬深部開(kāi)采工作面,具有埋深大、地質(zhì)構(gòu)造多、煤巖不連續(xù)面發(fā)育、瓦斯含量高、需要的巷道斷面大等特點(diǎn),巷道支護(hù)困難。
2 號(hào)煤均厚6 m,基本頂為粉砂巖,均厚9.0 m,再往上為1 號(hào)煤、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖,直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚3.9~5.9 m;直接底為砂質(zhì)泥巖,平均厚3.5 m,基本底為粉砂巖,厚6.0~8.0 m。
15247S回風(fēng)巷與15245S回風(fēng)巷處于同一層位,且15245 回風(fēng)巷在相鄰15445N 回采過(guò)程中掘進(jìn),又要服務(wù)于15245S 回采工作面,地質(zhì)及生產(chǎn)條件與15247S 回風(fēng)巷類(lèi)似。15245S 回風(fēng)巷頂板錨桿選用Ф20 mm×2400 mm 的螺紋鋼金屬錨桿,托盤(pán)為220 mm×140 mm×10 mm“碟形”托盤(pán),錨固劑為MSCK23-60 型樹(shù)脂錨固劑一卷,錨固長(zhǎng)度600 mm,頂錨索選用Ф21.6 mm×6200 mm 和Ф21.6 mm×8200 mm 兩種規(guī)格,1860 級(jí)低松弛鋼絞線(xiàn),托盤(pán)為220 mm×140 mm×16 mm“碟形”托盤(pán),錨固劑為MSCK23-120 型樹(shù)脂錨固劑一卷,錨固長(zhǎng)度1200 mm。錨桿呈“三四三”布置,錨索呈“四三四”布置,即第一排鋼帶布置四根錨索三根錨桿;第二排鋼帶布置三根錨索四根錨桿;第三排同第一排,第四排同第二排依次進(jìn)行支護(hù)?!暗巍变搸б?guī)格4500 mm×220 mm×4 mm,頂部菱形網(wǎng)規(guī)格6300 mm×1000 mmn,10 號(hào)鐵絲編制,排距850 mm。
幫錨桿選用Ф18 mm×2500 mm 圓鋼錨桿,托盤(pán)為鋼帶配套的180 mm×140 mm×8 mm 鋼托盤(pán),錨固劑為MSCK23-60 型樹(shù)脂錨固劑一卷,錨固段長(zhǎng)度600 mm,間距800 mm,排距850 mm。
幫錨索采用排列交叉支護(hù),第一排在靠煤柱幫一側(cè)頂板向下300 mm(第一根)與190 mm(第三根)處各打一根Ф17.8 mm×4200 mm 的幫錨索,第二排在靠煤柱幫一側(cè)頂板向下1100 mm 與190 mm 處各打一根Ф17.8 mm×4200 mm 的幫錨索;第三排錨索布置同第一排,第四排同第二排,依次支護(hù)。錨固劑為MSCK23-120 型樹(shù)脂錨固劑一卷,錨固長(zhǎng)度1200 mm。幫部菱形網(wǎng)規(guī)格為3500 mm×1000 mm。另在巷道兩幫上部除正常使用托盤(pán)外,增設(shè)Ф10 mm×80 mm×2200 mm的鋼筋鋼帶加強(qiáng)支護(hù)。
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘,15245S 回風(fēng)巷在經(jīng)歷15445S 回采動(dòng)壓影響之后,巷道變形量大,兩幫移近量最大達(dá)到1.4 m,頂?shù)装鍘捉]合,頂板粉砂巖發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、離層和下沉,頂板鋼帶發(fā)生彎折,巷道局部發(fā)生冒頂;巷道鼓包嚴(yán)重,底板泥巖層狀彎曲、縱向拉伸破斷底鼓,為典型的應(yīng)力型底鼓。頂板灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育,受動(dòng)壓影響后變成散塊狀,破碎后對(duì)錨索形成剪切。分析主要受三方面的因素影響:一是巷道圍巖地質(zhì)條件。頂板雖然有灰?guī)r,但灰?guī)r薄且?jiàn)A有方解石礦脈,大幅度降低了灰?guī)r的強(qiáng)度和整體性;煤體強(qiáng)度低,尤其是巷幫上部有1.5 m 厚的煤層極其松軟,掘巷時(shí)成型困難;另外構(gòu)造多,煤體節(jié)理裂隙發(fā)育。二是巷道工程賦存環(huán)境。九龍礦巷道埋深超過(guò)700 m,屬深部礦井,地應(yīng)力大。三是巷道施工因素。15247S 回風(fēng)巷是沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)的動(dòng)壓巷道,掘進(jìn)中將打破上區(qū)段采面剛形成的短暫平衡,動(dòng)壓對(duì)巷道影響巨大;臨近配風(fēng)巷采用爆破掘進(jìn),劇烈震動(dòng)對(duì)15247S 回風(fēng)巷有二次動(dòng)壓影響;原支護(hù)頂板錨桿錨索布置在同排鋼帶上,由于錨桿錨索預(yù)應(yīng)力等級(jí)差別大,導(dǎo)致錨桿幾乎失去了支護(hù)作用;巷幫支護(hù)強(qiáng)度更低,整體支護(hù)協(xié)調(diào)性差。
為了確定15247S 回風(fēng)巷合理的支護(hù)方式及參數(shù)[1-3],對(duì)掘進(jìn)期巷道頂板全錨索所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。
(1)錨索預(yù)應(yīng)力形成的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值分析
對(duì)預(yù)應(yīng)力分別為50 kN、100 kN、200 kN、250 kN 時(shí)錨索支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布情況進(jìn)行模擬。從模擬數(shù)據(jù)可知:隨著預(yù)應(yīng)力增加,錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力值與有效壓應(yīng)力區(qū)范圍不斷增加。在高預(yù)應(yīng)力下,錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力值大,形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍廣,錨索的主動(dòng)支護(hù)作用得到充分發(fā)揮。
(2)錨索長(zhǎng)度對(duì)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的影響分析
對(duì)錨索長(zhǎng)度與預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的影響情況進(jìn)行模擬,從模擬數(shù)據(jù)可知:① 預(yù)應(yīng)力一定時(shí),短錨索主動(dòng)支護(hù)作用優(yōu)于長(zhǎng)錨索;② 錨索越長(zhǎng),施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)越大;③ 提高錨索的預(yù)應(yīng)力可適當(dāng)減少錨索長(zhǎng)度;④ 根據(jù)錨索預(yù)應(yīng)力水平,確定錨索長(zhǎng)度在4~6 m 較合理。
依據(jù)深部礦井沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道受強(qiáng)烈動(dòng)壓的圍巖控制技術(shù)特點(diǎn),確定15247S 回風(fēng)巷高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度錨索組合支護(hù)參數(shù)如下:
(1)頂板支護(hù)參數(shù)。錨索型號(hào)為SKP22-1/1860-5200,每排5 根錨索,距幫400 mm,間距1000 mm,排距1000 mm,全都垂直頂板巖層打設(shè),預(yù)應(yīng)力加長(zhǎng)錨固,1 支MSK2335 和2 支MSZ2360樹(shù)脂藥卷錨固。鉆頭直徑30 mm,錨固長(zhǎng)度1970 mm。錨索托板采用300 mm×300 mm×16 mm 高強(qiáng)度可調(diào)心拱形托板及配套鎖具,托板承載能力不低于500 kN,托板高度不低于60 mm。網(wǎng)片采用菱形網(wǎng)護(hù)表,網(wǎng)片為網(wǎng)格30 mm×30 mm 的10 號(hào)鉛絲編織,規(guī)格為5.0 m×1.1 m。當(dāng)頂板有原始裂隙時(shí),采用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂,網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm,采用6.5 mm 鋼筋編織焊接而成,規(guī)格2.6 m×1.1 m,每排兩片搭接,采用10 號(hào)鉛絲孔扎緊,錨索張拉預(yù)緊力損失后大于等于250 kN。
(2)兩幫支護(hù)參數(shù)。錨索型號(hào)為SKP17.8-1/1860-4200,每幫每排4 根錨索,距頂、底各500 mm,間距1000 mm,排距1000 mm,全都垂直兩幫巖層打設(shè),預(yù)應(yīng)力加長(zhǎng)錨固,1 支MSK2335 和2 支MSZ2360 樹(shù)脂藥卷錨固。鉆頭直徑30 mm,錨固長(zhǎng)度1406 mm。錨索托板采用300 mm×300 mm×14 mm 高強(qiáng)度可調(diào)心拱形托板及配套鎖具,托板承載能力不低于350 kN,托板高度≥60 mm。網(wǎng)片采用菱形網(wǎng)護(hù)表,為網(wǎng)格30 mm×30 mm 的10號(hào)鉛絲編織,規(guī)格4.0 m×1.1 m,張拉預(yù)緊力損失后大于等于150 kN。
監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:15247S 回風(fēng)巷正常段兩幫移近量最大為217 mm,頂?shù)装逡平孔畲鬄?95 mm,巷道變形量不大;15247S 回風(fēng)巷構(gòu)造段巷道兩幫變形量也較小,在350 mm 以下,頂?shù)装逡平可源?,達(dá)到500 mm 以?xún)?nèi),底鼓嚴(yán)重,主要和巷道底板為泥巖有關(guān)。根據(jù)回采時(shí)通風(fēng)和設(shè)備的要求,巷道寬度不小于3500 mm 即可滿(mǎn)足使用,可見(jiàn)15247S 回風(fēng)巷在回采時(shí)只需拉底即可滿(mǎn)足15247S 工作面的回采使用,說(shuō)明強(qiáng)力全錨索支護(hù)系統(tǒng)完全能控制深部礦井應(yīng)力升高區(qū)動(dòng)壓巷道的變形。
九龍礦深部動(dòng)壓巷道圍巖離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂紋在掘巷之前均已經(jīng)產(chǎn)生,要求支護(hù)系統(tǒng)要有更大的強(qiáng)度和剛度,全斷面全錨索支護(hù)克服了錨桿支護(hù)破斷力偏低、預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率低、預(yù)緊力不足的缺點(diǎn)。實(shí)踐應(yīng)用表明:高預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)技術(shù)控制圍巖變形能力非常強(qiáng),尤其對(duì)于深部動(dòng)壓巷道,有效控制了圍巖強(qiáng)烈變形,巷道兩幫收斂量控制在500 mm 以?xún)?nèi),頂板下沉量控制在200 mm以?xún)?nèi),支護(hù)效果良好。