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        孤島工作面沿空掘巷注漿錨索支護技術(shù)

        2021-10-14 06:42:36申榕容
        山東煤炭科技 2021年9期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        申榕容

        (山西新村煤業(yè)有限公司,山西 長治 046000)

        新村煤業(yè)開采期間受采掘接續(xù)緊張及前期開采順序不合理等因素影響,11080工作面在回采時,其兩側(cè)的工作面已開采完畢,受兩側(cè)采空區(qū)支撐應(yīng)力疊加影響,工作面巷道在掘進(jìn)期間兩幫變形明顯,采用原傳統(tǒng)的U型鋼架支護或錨網(wǎng)索支護方式已達(dá)不到支護要求,工作面回采期間巷道變形嚴(yán)重。以11080工作面運輸巷為例,對巷道圍巖變形破壞原因進(jìn)行研究分析,提出針對性的支護加固方案,能夠有效控制圍巖變形,達(dá)到支護效果要求。

        1 工程概況

        1.1 地質(zhì)概況

        11080工作面位于11采區(qū)東翼,西部為11070工作面采空區(qū),東部為11090工作面采空區(qū),北部為井田邊界煤柱,南部為東翼回風(fēng)大巷保護煤柱,巷道下方為已掘巷道11070軌道順槽底板巷。11080工作面膠帶順槽設(shè)計走向長1059 m,設(shè)計為矩形斷面,巷高3300 mm,巷寬5400 mm。巷道沿煤層頂板掘進(jìn),開采煤層為二1煤,平均厚度4.0 m,煤層傾角4°~20°,平均傾角5°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

        表1 工作面煤層頂?shù)装鍘r性特征表

        1.2 原巷道支護參數(shù)

        原11080工作面運輸巷采用的支護方式為錨網(wǎng)索支護,其主要參數(shù)如下:

        (1)巷道頂部布置6根錨桿配合金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁進(jìn)行支護,錨桿采用高強度螺紋鋼,規(guī)格為Ф22 mm×2400 mm,間排距為900 mm×900 mm;每間隔2排錨桿施工2根錨索,錨索規(guī)格為Ф22 mm×5000 mm鋼絞線,間排距為1800 mm×2700 mm。

        (2)巷道幫部采用錨桿規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm高強度螺紋鋼錨桿,間排距布置為800 mm×900 mm,每幫共計布置4根錨桿,并采用金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁進(jìn)行聯(lián)合支護。為加強巷道兩幫支護強度,在采空區(qū)側(cè)每間隔2排錨桿布置1根規(guī)格為Ф22 mm×3000 mm的鋼絞線錨索,其排距為2700 mm;在實煤體側(cè)每間隔2排錨桿布置2根規(guī)格為Ф22 mm×5200 mm錨索,間排距設(shè)計為1100 mm×2700 mm。

        2 巷道圍巖位移變化特征及變形原因分析

        2.1 巷道圍巖位移變化特征

        為便于對巷道圍巖變形情況進(jìn)行觀測,在11080運輸巷開口向里100~400 m范圍內(nèi),每間隔100 m采用“十”字布點法布置一個測站,共計布置4個測站。根據(jù)觀測收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析發(fā)現(xiàn),其主要破壞變形特征如下:

        (1)在掘進(jìn)過程中巷道開始發(fā)生較大變形,且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要時間較長。巷道在完成掘進(jìn)施工后,其頂?shù)装搴蛢蓭桶l(fā)生劇烈移近變形,巷道頂板下沉移近速度在6 mm/d左右,巷道幫部移近速度達(dá)到32 mm/d,在一周以后以上變形速度才開始出現(xiàn)減緩現(xiàn)象,但頂部下沉速度仍在4 mm/d,幫部變形速度仍處于22 mm/d左右。在一個月以后巷道才逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài),此時巷道頂板下沉量達(dá)到150 mm左右,兩幫移近量達(dá)到600 mm左右。

        (2)巷幫移近變形量比頂板下沉量要大得多。巷道在掘進(jìn)施工2個月以后,測點4個測站巷道兩幫移近量都在700 mm以上,其中變形最大的地段達(dá)850 mm,各個測站處巷道下沉量均在300 mm以下。

        2.2 基本頂破壞變形特征

        在巷道開口位置向里350 m處的頂板位置施工一個觀測鉆孔,在鉆孔內(nèi)安裝TYGD10型鉆孔探測儀,對巷道基本頂內(nèi)部圍巖受應(yīng)力作用后發(fā)生的破壞變形情況進(jìn)行觀測。通過觀測發(fā)現(xiàn),在不同時間掘進(jìn)施工的巷道其基本頂內(nèi)部的裂隙發(fā)育程度存在較大差異,表明基本頂在巷道掘進(jìn)施工期間就一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)?;卷斣谙锏绖傞_始掘進(jìn)時比較完整,無明顯裂隙發(fā)育,隨著巷道掘出時間的不斷增加,基本頂開始不斷發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉,在縱向方向上出現(xiàn)裂隙發(fā)育并逐漸形成較大裂隙直至基本頂發(fā)生破斷。

        2.3 巷道圍巖變形原因分析

        巷道在剛開始掘進(jìn)施工時,其圍巖基本結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖1?;卷斨械膸r塊B一端與巖塊A咬合,一端與巖塊C咬合,其下方受到直接頂?shù)闹巫饔?。在巖塊B與巖塊C的鉸接處形成的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,隨著巷道的繼續(xù)向前掘進(jìn),該處頂板將會出現(xiàn)回轉(zhuǎn)下沉,在其下方被冒落的矸石充填支撐后才會逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)。巖體B在發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉?xí)r需要擠壓巷道圍巖中的小空間結(jié)構(gòu)來得到巖體下沉空間[1-3],因此會造成巷道圍巖小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈變形,這是造成巷道在掘進(jìn)過程中發(fā)生變形破壞的主要原因。

        圖1 老頂巖梁破斷結(jié)構(gòu)圖

        當(dāng)巖塊B破斷后,在直接頂及采空區(qū)冒落矸石的支撐和巖塊A、C左右夾持作用下,基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)(如圖2)。雖然此時巷道圍巖結(jié)構(gòu)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),但巷幫煤體已遭到嚴(yán)重破壞,特別是留設(shè)的窄煤柱,當(dāng)巷道開始掘進(jìn)施工時煤巖體就全部處于塑性變形區(qū),其承載能力大大降低,極易發(fā)生劇烈的流變性[4]。巷道煤柱的淺部破碎區(qū)在基本頂?shù)膸r體回轉(zhuǎn)下沉作用下逐漸向深部塑性延伸,因此造成部分幫部錨桿在煤體中失去著力基礎(chǔ)出現(xiàn)支護體失效,使錨桿對煤體的加固支護作用強度降低,加快煤巖體破碎區(qū)的延展,從而進(jìn)一步降低了煤柱的承載能力,造成圍巖應(yīng)力向?qū)嶓w煤側(cè)傾斜,實體煤受到的壓力作用增大,使實體煤產(chǎn)生較大的破壞變形。

        圖2 巷道圍巖三角塊穩(wěn)定結(jié)構(gòu)圖

        3 雙股籠形注漿錨索支護技術(shù)方案

        3.1 加固支護方案

        因在掘進(jìn)過程中巷道圍巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)較大變形,為防止因巷道變形量過大影響工作面正?;夭桑诠ぷ髅婊夭汕靶枰獙υ撓锏肋M(jìn)行加固支護。根據(jù)上述分析可知,巷道出現(xiàn)較大變形主要發(fā)生在巷道幫部,頂部變形量較小,頂板相對比較完整;而巷道實體煤幫的壓力增大的主要原因是采空區(qū)幫的窄煤柱承壓能力減弱造成的。因此,本次支護加固的重點是提高采空區(qū)側(cè)窄煤柱的自承能力[5]。由于采空區(qū)側(cè)留設(shè)的煤柱寬度窄且已被破壞較為嚴(yán)重,打設(shè)的錨桿或錨索不能找到穩(wěn)固的著力基礎(chǔ),極易出現(xiàn)失效,不能對煤柱起到有效的穩(wěn)固作用,因此提出利用雙股籠形注漿錨索對采空區(qū)側(cè)煤柱進(jìn)行加固支護。

        3.2 加固原理

        采用雙股籠形注漿錨索對煤體進(jìn)行加固,實質(zhì)利用注漿錨索向煤體中注入水泥漿液,水泥漿液一方面將煤體中的裂隙進(jìn)行充填,使裂隙周圍的煤體重新凝結(jié)起來形成一個整體,提高煤體自承能力;另一方面,注入的水泥漿液將錨桿、錨索形成全長錨固并與煤體膠結(jié)凝固形成一個整體,增強錨桿錨索錨固點煤體的著力基礎(chǔ),使支護效果減弱或失效的錨桿錨索重新起到錨固作用。

        3.3 施工方案

        雙股籠形錨索是由特殊加工工藝制作而成,其單股鋼絞線直徑為15.24 mm,采用1×7標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線,強度為1860 MPa,單股鋼絞線破斷載荷達(dá)到250 kN以上。采空區(qū)側(cè)煤柱加固時采用的錨索長度為2200 mm,錨固深度為2000 mm,錨索外露長度200 mm,錨索布置間排距為1600 mm×1600 mm,最上一根錨索距巷道頂板間距為700 mm,與水平方向夾角為30°(如圖3)。采用標(biāo)號為425#普通硅酸鹽水泥進(jìn)行注漿,水玻璃配比為水泥重量的4%,水灰比為1:2。

        圖3 雙股籠形注漿錨索支護加固布置示意圖

        4 應(yīng)用效果分析

        對11080運輸巷巷道進(jìn)行加固支護后,通過“十”字測點法布置的1~4#測站對巷道頂板和兩幫移近量進(jìn)行定期觀測,通過對觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,得到的結(jié)果見表2。

        表2 11080運輸巷加固前后巷道表面位移觀測結(jié)果

        由表2可知,采用雙股籠形注漿錨索對巷道進(jìn)行加固支護后,巷道幫部移近量均小于260 mm,頂板下沉量均小于70 mm。工作面回采時在該段巷道進(jìn)入工作面超前支護段時,巷高保持在2800 mm以上,寬度保持在4200 mm以上,滿足工作面安全生產(chǎn)的需求。表明該支護加固方案能夠?qū)ρ乜站蜻M(jìn)期間巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行有效控制,滿足工作面安全生產(chǎn)的要求,說明該方案是合理有效的。

        5 結(jié)語

        (1)由于沿空巷道基本頂巖體在回轉(zhuǎn)下沉?xí)r需要擠壓巷道圍巖中的小結(jié)構(gòu)來獲得空間,因此會造成巷道圍巖小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈變形,這是造成巷道在掘進(jìn)過程中發(fā)生變形破壞的主要原因。而采空區(qū)側(cè)留設(shè)的煤柱在巖體回轉(zhuǎn)下沉作用下遭到嚴(yán)重破壞,自承能力極大減弱造成圍巖應(yīng)力向?qū)嶓w煤側(cè)傾斜,使實體煤受到的壓力作用增大發(fā)生較大的破壞變形。

        (2)利用注漿錨索對采空區(qū)煤柱進(jìn)行注漿支護加固,提高煤體自承能力同時增強錨桿錨索錨固點煤體的著力基礎(chǔ),使支護效果減弱或失效的錨桿錨索重新起到錨固作用,從而降低巷道圍巖變形量,保證了工作面回采期間的安全。

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