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        軟巖巷道頂板破碎機(jī)理及控制技術(shù)

        2021-10-14 06:42:48
        山東煤炭科技 2021年9期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖

        杜 偉

        (山西保利鐵新煤業(yè)有限公司,山西 晉中 031302)

        1 概述

        山西保利鐵新煤業(yè)有限公司二采區(qū)軌道巷位于井田東翼,巷道東部為二采區(qū)皮帶巷,西部為井田邊界保護(hù)煤柱且與汾西靈北煤礦相鄰,北部為二采區(qū)回風(fēng)巷。

        二采區(qū)軌道巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1515 m,巷道為矩形斷面,斷面規(guī)格為寬×高=4.2 m×3.2 m。巷道掘進(jìn)煤層為2#煤層,煤層可采厚度為0.8 m。煤層直接頂及基本頂主要以泥巖為主,局部摻雜砂質(zhì)泥巖和砂巖,平均厚度為4.28 m。

        二采區(qū)軌道巷掘進(jìn)至465 m處將揭露一條F3正斷層,斷層落差為1.7 m,傾角為50°。受斷層應(yīng)力以及掘進(jìn)集中應(yīng)力影響,掘進(jìn)至450 m處時(shí),巷道圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,主要表現(xiàn)在頂板出現(xiàn)斷裂、離層垮落以及兩幫煤柱破碎收斂等現(xiàn)象,導(dǎo)致巷道成型效果差,巷道頂板成尖錐狀。巷道原永久支護(hù)對(duì)應(yīng)區(qū)頂板支護(hù)效果差,頂板鋼帶不接頂、錨桿失效等現(xiàn)象嚴(yán)重。

        2 巷道圍巖破碎機(jī)理

        (1)斷層影響。二采區(qū)軌道巷在465 m處揭露一條正斷層,斷層破壞了掘進(jìn)巷道煤巖層穩(wěn)定性,斷層附近煤巖體裂隙發(fā)育,在構(gòu)造應(yīng)力以及巷道開挖等集中應(yīng)力作用下斷層附近圍巖出現(xiàn)裂隙擴(kuò)張破壞作用,降低了圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì),導(dǎo)致圍巖破碎現(xiàn)象。

        (2)頂板穩(wěn)定性差。二采區(qū)軌道巷直接頂主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖混合巖層為主,巖體以層狀結(jié)構(gòu)為主,不同互層之間出現(xiàn)離層等現(xiàn)象,巖層單軸抗壓強(qiáng)度不足20 MPa,當(dāng)巷道在集中應(yīng)力作用下,頂板承載能力大大降低,頂板出現(xiàn)斷裂破碎現(xiàn)象。

        (3)兩幫煤柱承載能力低。由于二采區(qū)軌道掘進(jìn)的2#煤層均厚為0.8 m,巷道掘進(jìn)高度為3.2 m,巷道沿2#煤層底板掘進(jìn),導(dǎo)致巷道兩幫煤柱為煤層與泥巖混合層,煤柱承載能力低,在應(yīng)力作用下煤柱出現(xiàn)收斂、垮落等破壞現(xiàn)象,從而導(dǎo)致頂板與巷幫之間肩角煤柱垮落。

        (4)支護(hù)效果差。二采區(qū)軌道巷前期掘進(jìn)過(guò)程中頂板采用的錨桿長(zhǎng)度為2.0 m,直徑為18 mm,錨桿間距為0.95 m,排距為1.0 m;而原頂板在受集中應(yīng)力作用下頂板往上2.5 m范圍內(nèi)巖體出現(xiàn)破碎、裂隙現(xiàn)象,且隨著頂板暴露時(shí)間以及支護(hù)弱化作用破碎區(qū)向巖體深部延伸,形成圍巖松動(dòng)圈,當(dāng)松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大至錨桿錨固段時(shí),導(dǎo)致錨桿失效現(xiàn)象嚴(yán)重。

        3 破碎圍巖聯(lián)合控制技術(shù)

        3.1 注漿加固

        為了提高軌道巷應(yīng)力區(qū)頂板整體穩(wěn)定性[1-5],決定對(duì)應(yīng)力區(qū)巷道頂板采取注漿加固技術(shù)。

        (1)注漿鉆孔施工在迎頭煤壁上,所有鉆孔距頂板1.0 m,每排布置四個(gè)注漿鉆孔(鉆孔編號(hào)為1#、2#、3#、4#),鉆孔間距為1.3 m,鉆孔深度為5.0 m,直徑為50 mm。

        (2)其中1#、4#鉆孔為肩角鉆孔,2#、3#鉆孔為頂板鉆孔,1#~4#鉆孔仰角為60°,2#、3#鉆孔水平角為0°,1#、4#鉆孔水平角為20°,鉆孔布置排距為5.0 m,如圖1。

        圖1 二采區(qū)軌道頂板注漿鉆孔布置示意圖

        (3)注漿鉆孔施工完后采用海帶、紗布、水泥漿對(duì)孔口0.2 m范圍內(nèi)進(jìn)行封堵,同時(shí)對(duì)鉆孔內(nèi)安裝長(zhǎng)度為2.5 m注漿花管并進(jìn)行注漿施工,注漿液采用水泥與水玻璃混合漿液。

        3.2 原頂板支護(hù)優(yōu)化

        為了提高頂板永久支護(hù)質(zhì)量,降低頂板支護(hù)失效率,決定對(duì)原頂板錨桿、錨索支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化。

        (1)優(yōu)化后頂板采用端頭膨脹螺紋式鋼錨桿,錨桿長(zhǎng)度為3.0 m,直徑為22 mm。錨桿端頭安裝一個(gè)長(zhǎng)度為0.3 m膨脹器,錨桿在高速攪拌錨固過(guò)程中膨脹器發(fā)生膨脹作用,提高了錨桿端頭錨固效果,同時(shí)膨脹器對(duì)鉆孔壁進(jìn)行擠壓,控制端頭鉆孔壁裂隙擴(kuò)張破壞作用。頂板每排布置5根端頭膨脹錨桿,錨桿間排距為1.0 m,每排錨桿外露端安裝一根長(zhǎng)度為4.2 m、寬度為0.38 m“JW”型鋼帶,如圖2。

        圖2 二采區(qū)軌道巷破碎頂板優(yōu)化后支護(hù)斷面示意圖(單位:mm)

        (2)優(yōu)化后頂板錨索采用“三.三”布置方式,錨索長(zhǎng)度變更為8.0 m,直徑為21.8 mm,錨索間距為1.5 m,排距為3.0 m。錨索施工后在外露端安裝一根長(zhǎng)度為3.5 m“W”型鋼梁對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)緊固定。與傳統(tǒng)工字鋼梁相比,W型鋼梁具有支護(hù)斷面大、支護(hù)強(qiáng)度高且變形率低等優(yōu)點(diǎn)。

        3.3 梯形雙梁支護(hù)

        為了進(jìn)一步提高應(yīng)力區(qū)頂板穩(wěn)定性,巷道頂板永久支護(hù)優(yōu)化后以及注漿完成后,對(duì)巷道架設(shè)梯形雙梁鋼棚。

        (1)梯形雙梁鋼棚主要由梯形雙頂梁、棚腿、底座、卡纜等部分組成。頂梁長(zhǎng)4.0 m,寬0.5 m,頂梁主要由兩根長(zhǎng)度為4.2 m槽鋼通過(guò)連接鋼梁焊接而成。

        (2)棚腿長(zhǎng)度為3.2 m,主要由12#工字鋼梁制成。棚腿與頂梁之間采用夾板以及螺母進(jìn)行固定,棚腿底座安裝在底板以下0.2 m處,底座安裝后采用混凝土對(duì)其與頂板進(jìn)行澆筑固定。

        (3)安裝間距為1.5 m,梯形雙梁鋼棚滯后工作面迎頭3 m安裝,梯形雙梁每安裝5架后及時(shí)對(duì)鋼棚棚腿之間安裝連接桿進(jìn)行聯(lián)鎖固定,鋼棚在安裝過(guò)程中因頂板破碎、變形導(dǎo)致頂梁與頂板接觸不嚴(yán)實(shí)時(shí),在頂梁與頂板之間必須采用水泥背板進(jìn)行填充。

        4 效果

        鐵新煤礦分析了二采區(qū)軌道巷頂板破碎機(jī)理,并提出了合理有效的圍巖控制技術(shù),通過(guò)實(shí)際應(yīng)用取得了顯著應(yīng)用成效。

        (1)通過(guò)對(duì)二采區(qū)軌道巷頂板采取注漿加固技術(shù)后,有效控制了應(yīng)力作用下頂板裂隙發(fā)育現(xiàn)象,防止了裂隙擴(kuò)張破壞作用導(dǎo)致頂板出現(xiàn)破碎、斷裂現(xiàn)象,對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行有效的填充和封堵。

        (2)通過(guò)對(duì)原頂板永久支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化,采用端頭膨脹錨桿以及W型錨索梁棚支護(hù)后,解決了傳統(tǒng)錨桿支護(hù)時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度不足、支護(hù)強(qiáng)度低、錨固效果差等技術(shù)難題,起到了支護(hù)體對(duì)頂板的懸吊以及組合梁作用。

        (3)二采區(qū)軌道破碎巷頂板采用矩形鋼棚后,降低了集中應(yīng)力對(duì)頂板及兩幫煤柱破壞作用,減少了頂板下沉量,有效提高了頂板支護(hù)作用。

        截至2020年7月二采區(qū)軌道巷已掘進(jìn)到位,通過(guò)對(duì)F3斷層應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)優(yōu)化后,巷道頂板下沉量控制0.14 m以下,兩幫收斂量控制0.24 m以下,大大提高了巷道成型率,提高了巷道圍巖整體穩(wěn)定性,取得了顯著應(yīng)用成效。

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