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        2305 巷掘進(jìn)工作面頂板破碎區(qū)支護(hù)優(yōu)化

        2021-02-07 08:33:34強(qiáng)
        山東煤炭科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:鋼棚離層錨索

        白 強(qiáng)

        (大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司,山西 大同 037003)

        1 概況

        大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司2305 巷位于三盤區(qū)4#煤層北部,巷道東西走向布置,巷道東部為掘進(jìn)區(qū)域,南部為5304 巷,西部為盤區(qū)大巷,北部為5305 巷。2305 巷設(shè)計掘進(jìn)長度1500 m,斷面為寬×高=4.5 m×3.5 m,巷道掘進(jìn)煤層為山西組4#煤層,煤層平均厚度為3.5 m。煤層直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主,平均厚度為2.5 m,基本頂主要以細(xì)砂巖為主,平均厚度為8.9 m。

        2305 巷頂板及兩幫采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂板錨桿長2.5 m,直徑為22 mm,每排布置5 根,錨桿間排距為1.0 m;頂板錨索長5.3 m,直徑為17.8 mm,每排布置3 根,錨索間距為1.8 m,排距為3.0 m;巷幫錨桿長度為2.0 m,直徑為20 mm,錨桿每排3 根,間排距為1.0 m。巷道掘進(jìn)至657 m 處揭露第一條斷層F1,斷層落差為1.1 m,平均傾角為54°;巷道掘進(jìn)至669 m 處揭露第二條斷層F2,斷層落差為0.9 m,平均傾角為47°;在670~740 m 段還存在7 條斷層,全部為正斷層,斷層平均落差為1.3 m,平均傾角為50°。

        2 巷道掘進(jìn)支護(hù)現(xiàn)狀及問題分析

        2.1 巷道掘進(jìn)支護(hù)現(xiàn)狀

        (1)2305 巷在過F1 斷層時,頂板相對破碎,局部區(qū)域出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象,冒漏高度0.5 m,巷道頂板與巷幫之間的肩角煤柱局部垮落,巷幫網(wǎng)出現(xiàn)“網(wǎng)兜”現(xiàn)象。

        (2)當(dāng)巷道過F2 斷層時,受構(gòu)造應(yīng)力影響,原頂板支護(hù)不能滿足圍巖控制需求,頂板出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象。頂板錨桿錨固后由于頂板破碎冒落,導(dǎo)致錨桿外露長度達(dá)0.2 m,錨桿支護(hù)作用降低。同時,肩角煤柱大面積垮落,兩幫片幫嚴(yán)重,巷道成“尖錐形”,兩幫收縮嚴(yán)重,收縮量達(dá)0.62 m,頂板往上2.0~3.5 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)兩段離層現(xiàn)象,最大離層量達(dá)0.32 m。

        2.2 原因分析

        (1)應(yīng)力破壞作用。2305 巷在657~740 m 段共計揭露9 條斷層,在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生斷層群應(yīng)力疊加現(xiàn)象,巷道掘進(jìn)期間會受到多次應(yīng)力波動影響,在應(yīng)力作用下破壞了原巷道頂板承載結(jié)構(gòu),頂板承載梁斷裂且次生裂隙發(fā)育,降低了頂板原生穩(wěn)定性,從而導(dǎo)致頂板破碎現(xiàn)象。

        (2)圍巖穩(wěn)定性差。2305 巷直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主,其中中部夾雜兩層混合巖層,第一層位于頂板往上1.2 m 處,厚度為0.4 m,主要以細(xì)砂巖與泥巖混合為主;第二層位于頂板往上1.9 m 處,為4#煤層,厚度為0.3 m。直接頂整體成層狀結(jié)構(gòu),巖體巖石普氏系數(shù)f=2.5,抗壓強(qiáng)度相對較低,在采動、構(gòu)造應(yīng)力等作用下易產(chǎn)生裂隙帶,穩(wěn)定性差。

        (3)支護(hù)強(qiáng)度低。原頂板支護(hù)設(shè)計中護(hù)頂采用10#鉛絲編制的菱形金屬網(wǎng),金屬網(wǎng)承載強(qiáng)度不足120 MPa,當(dāng)頂板出現(xiàn)下沉、冒落時金屬網(wǎng)承載能力低,出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。同時,頂板采用長2.5 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,錨桿錨固段位于直接頂與基本頂之間,在應(yīng)力作用下,當(dāng)直接頂出現(xiàn)破碎、離層時錨桿錨固效果差,無法起到加固梁作用。

        3 頂板聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

        為了保證2305 巷后期過斷層群應(yīng)力區(qū)施工安全,決定對原頂板支護(hù)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,將原頂板金屬網(wǎng)更換為鋼筋網(wǎng),原頂板錨桿支護(hù)設(shè)計不變,將頂板原單錨索更換為聯(lián)鎖錨索梁棚,并在應(yīng)力區(qū)架設(shè)液壓伸縮鋼棚。2305 巷破碎頂板聯(lián)合支護(hù)示意圖如圖1。

        3.1 鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)

        (1)2305 巷斷層群應(yīng)力區(qū)圍巖采用的鋼筋網(wǎng)由直徑為6 mm 鋼筋編制,鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格為50 mm×50 mm,鋼筋網(wǎng)規(guī)格為長×寬=2.4 m×1.2 m。

        (2)巷道頂板每排鋪設(shè)兩片鋼筋網(wǎng),同一排兩片鋼筋網(wǎng)搭接寬度為0.3 m,并網(wǎng)搭接中部施工一根錨桿,網(wǎng)與網(wǎng)之間采用14#鉛絲環(huán)環(huán)連接。

        3.2 施工聯(lián)鎖錨索梁棚

        (1)頂板錨桿支護(hù)施工完后,在相鄰兩排錨桿之間施工一排錨索梁棚,梁棚施工排距為2.0 m。錨索梁棚主要由三根長度為7.0 m、直徑為21.8 mm恒阻錨索、一根橫梁及三根聯(lián)鎖拉桿組成。

        (2)橫梁長度為4.2 m,寬度為0.5 m,每根橫梁由5 根圓鋼焊接而成,圓鋼直徑為20 mm,在橫梁兩端以及中部各焊制一個長度及寬度為0.3 m鋼板,鋼板中部焊制一個直徑為30 mm 圓孔。聯(lián)鎖拉桿主要為一根長度為2.0 m、寬度為0.2 m、厚度為0.02 m 方鋼。

        (3)首先在巷道中部施工一排恒阻錨索,錨索間距為1.8 m,中部錨索垂直頂板布置,兩側(cè)錨索與巷幫夾角為60°,錨索外露長度為0.3 m,錨索施工后在其下方依次安裝橫梁、拉桿并采用鎖具固定。相鄰兩架錨索棚采用三根欄桿聯(lián)鎖固定。

        3.3 架設(shè)液壓伸縮鋼棚

        為了解決傳統(tǒng)鋼棚支護(hù)后對頂板產(chǎn)生切頂破壞及易變形等問題,決定在2305 巷斷層群應(yīng)力區(qū)架設(shè)液壓伸縮梁棚。

        (1)液壓伸縮鋼棚主要由液壓伸縮腿、雙頂梁、抱箍、液壓泵站、壓力監(jiān)測報警器等部分組成。液壓伸縮腿張緊行程為1.5~4.0 m,液壓泵站功率為10 kW,雙頂梁主要由兩根長度為4.2 m 的11#工字鋼梁以及一塊鋼板焊制而成,頂梁寬度為0.3 m。

        (2)壓力監(jiān)測報警器安裝在液壓伸縮腿上,該裝置主要由報警器、顯示器、信號線、壓力彈簧、接收器等部分組成。壓力彈簧安裝在伸縮腿內(nèi)部,通過伸縮腿下降后壓縮彈簧從而監(jiān)測頂板下沉量,并實時報警。

        (3)在安裝液壓伸縮棚時,保證同一架鋼棚兩根棚腿在同一水平線上,棚腿與頂梁之間采用卡纜進(jìn)行固定。鋼棚架設(shè)完成后通過控制液壓泵站操作閥使棚腿升起,當(dāng)鋼棚頂梁與頂板接觸嚴(yán)實并確保支撐力達(dá)15 MPa 時停止加壓。

        (4)液壓伸縮棚安裝間距為2.0 m,伸縮棚安裝后每班安排專人觀察頂板離層情況以及鋼棚變形情況,發(fā)現(xiàn)鋼棚卸壓、報警時必須及時補(bǔ)液。

        圖1 2305 巷破碎頂板聯(lián)合支護(hù)示意圖

        4 應(yīng)用效果

        2305 巷掘進(jìn)到位后,通過3 個月實際應(yīng)用效果觀察,發(fā)現(xiàn):

        (1)巷道支護(hù)優(yōu)化后,頂板采用的鋼筋網(wǎng)支護(hù)強(qiáng)度是普通金屬網(wǎng)的1.5 倍,巷道在后期過斷層群期間頂板未出現(xiàn)“網(wǎng)兜”、斷網(wǎng)等現(xiàn)象。

        (2)通過對頂板施工聯(lián)鎖錨索梁棚代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單錨索支護(hù),解決了傳統(tǒng)單錨索點性支護(hù)面積小、支護(hù)聯(lián)鎖性能差等技術(shù)難題,采用聯(lián)鎖錨索梁棚有效提高了直接頂穩(wěn)定性,保證了錨桿支護(hù)效果,防止了頂板斷裂、破碎現(xiàn)象,頂板肩角煤柱垮落現(xiàn)象得到有效控制。

        (3)通過對巷道應(yīng)力區(qū)架設(shè)液壓伸縮鋼棚,不僅實現(xiàn)了巷道頂板下沉、離層實時監(jiān)測,提高了鋼棚對巷道支護(hù)斷面積及支護(hù)強(qiáng)度,而且解決了傳統(tǒng)矩形鋼棚支護(hù)強(qiáng)度低、易變形、鋼棚回收利用率低等技術(shù)難題。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),架設(shè)液壓伸縮鋼棚后頂板離層、下沉量降至0.12 m 以下,避免了頂板垂直應(yīng)力向兩幫煤柱傳遞作用,兩幫移進(jìn)量減小為0.17 m 以下。

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