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        煤層回風(fēng)大巷支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-11-09 08:29:10
        山東煤炭科技 2021年10期
        關(guān)鍵詞:大巷錨索錨桿

        王 文

        (霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司,山西 靜樂 035100)

        隨著我國綜合機(jī)械化開采技術(shù)的發(fā)展,礦井的產(chǎn)能不斷提高,出現(xiàn)了一批單井產(chǎn)能超過兩千萬噸的井工開采煤礦。產(chǎn)能的提高以設(shè)備的大型化為保障。為滿足礦井運(yùn)輸及大型設(shè)備的安裝要求,大斷面煤層巷道越來越多。由于支護(hù)方式不合理,煤層大巷掘進(jìn)后變形嚴(yán)重,有些需要反復(fù)維修,不僅增大了支護(hù)成本,而且對生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響[1-4]。因此實(shí)現(xiàn)大斷面煤層巷道的穩(wěn)定控制,對煤礦的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

        1 工程概況

        為加快掘進(jìn)速度,霍州煤電集團(tuán)金能煤礦的回風(fēng)大巷布置在2 號煤層中,沿煤層底板掘進(jìn)。巷道斷面為半圓拱形,規(guī)格為5.5 m×4.8 m(寬×高)。2 號煤的厚度為0.6~10.4 m,平均為5.2 m,煤層傾角7°~28°,平均16°。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

        圖1 2 號煤層頂?shù)装鍘r性

        2 煤層大巷變形特征

        2.1 巷道原支護(hù)方式

        巷道永久支護(hù)為錨網(wǎng)索支護(hù),錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿,配球形墊圈,每根錨桿使用兩卷Z2835 樹脂錨固劑,錨桿間排距為800 mm×800 mm。

        錨索為Φ21.6 mm×8200 mm 鋼絞線,每排布置5 根錨索,錨索間排距1200 mm×1600 mm,每根錨索使用4 根Z2360 和1 根CK2360 錨固劑,配400 mm×400 mm×16 mm 的托盤。

        錨網(wǎng)索支護(hù)后對巷道進(jìn)行噴漿密閉,水泥:沙子:石子的比例為1:2:2,噴漿厚度≥120 mm,分兩次噴漿,間隔2 h。

        2.2 巷道變形特征

        回風(fēng)大巷掘進(jìn)斷面22 m2,為大斷面煤層巷道。巷道掘進(jìn)后出現(xiàn)劇烈變形,主要變形特征表現(xiàn)為:

        (1)巷道頂板有網(wǎng)兜,下沉量大,部分區(qū)域頂板下沉量可達(dá)1000 mm,錨桿索被拉斷,托盤外翻,網(wǎng)兜及金屬網(wǎng)撕裂較嚴(yán)重。掘進(jìn)期間曾發(fā)生一次大面積冒頂,頂板冒落后,錨桿露出甚至整體掉下,嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

        (2)兩幫出現(xiàn)內(nèi)擠現(xiàn)象,擴(kuò)容明顯,最大幫鼓量達(dá)500 mm,兩幫移近量接近1000 mm,錨桿失效,托盤變形,金屬網(wǎng)被撕裂。

        3 地應(yīng)力測量

        3.1 測定方法

        由于井下煤層賦存條件的特殊性,一般采用實(shí)測的方式確定某區(qū)域的地應(yīng)力。綜合比較各種測量方法,確定采用應(yīng)力解除法對2 號煤地應(yīng)力進(jìn)行測量[5-6]。

        應(yīng)力解除法的原理為:當(dāng)試塊從巖體中取出時會發(fā)生膨脹變形,而變形量的大小取決于它最初的受力狀態(tài)。通過測量變形值,利用胡克定律即可計(jì)算出該試塊的原始受力大小,即為該位置的初始地應(yīng)力。

        3.2 測量步驟

        在回風(fēng)大巷中無斷層和破碎帶的區(qū)域取3 個點(diǎn)打鉆取芯進(jìn)行地應(yīng)力測量,應(yīng)力測試鉆孔的參數(shù)見表1,鉆孔布置如圖2。

        圖 2 鉆孔布置圖

        表1 應(yīng)力測試鉆孔參數(shù)

        測量步驟為:

        (1)導(dǎo)孔施工

        在煤巖體表面以4°的仰角施工應(yīng)力解除孔,鉆孔的直徑為120 mm,鉆孔的深度為7.5~10.5 m。

        (2)應(yīng)力計(jì)安裝孔施工

        導(dǎo)孔施工完畢后,采用Φ36 mm 的鉆頭與導(dǎo)孔同圓心施工應(yīng)力計(jì)安裝孔,安裝孔深380 mm。

        (3)安裝應(yīng)力計(jì)

        將粘貼了三組、每組四片電阻應(yīng)變片制作的空心環(huán)氧樹脂應(yīng)力計(jì)安裝到Φ36 mm 的應(yīng)力計(jì)安裝孔中。

        (4)取芯

        待環(huán)氧樹脂固化后,一般不得小于24 h,將粘有應(yīng)變計(jì)的巖芯取出,取出過程中同步采集12 個電阻應(yīng)變片的變形數(shù)值。

        (5)彈模測定

        將取出的巖芯放入彈模率定儀中,測量巖芯的彈性模量和泊松比。

        (6)應(yīng)力計(jì)算

        利用地應(yīng)力計(jì)算軟件對變形量、彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到地應(yīng)力結(jié)果。

        3.3 測量結(jié)果

        根據(jù)應(yīng)力解除過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù),可以得到不同距離的應(yīng)變變化,其中2 號測孔的曲線如圖3。

        圖3 2 號孔應(yīng)力解除過程曲線

        通過軟件的計(jì)算分析,得到三個測點(diǎn)的應(yīng)力值及關(guān)系見表2。

        表2 地應(yīng)力測量結(jié)果

        由地應(yīng)力測試結(jié)果可以看出,金能礦的原始應(yīng)力以水平應(yīng)力為主,并且最大水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.08 倍,受一定的構(gòu)造運(yùn)動影響,但影響較小。

        3.4 巷道變形原因分析

        結(jié)合地應(yīng)力測量結(jié)果,分析回風(fēng)大巷變形劇烈的原因主要有:

        (1)地應(yīng)力方向

        地應(yīng)力觀測結(jié)果表明,水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力,最大主應(yīng)力的方向與巷道掘進(jìn)方向的夾角為62.3°,相對較大,是造成頂板及兩幫變形嚴(yán)重的主要原因。

        (2)巷道圍巖為煤體

        回風(fēng)大巷沿2 號煤底板掘進(jìn),頂板和兩幫均為煤體,采用鉆孔觸探法測得煤體原位單軸抗壓強(qiáng)度為6.8 MPa,為極軟煤層,自穩(wěn)能力差。

        (3)部分支護(hù)參數(shù)不合理

        2 號煤的頂板為泥巖和砂質(zhì)泥巖,強(qiáng)度相對較低,而選用8200 mm 的錨索錨固點(diǎn)位于砂質(zhì)泥巖中,極易出現(xiàn)離層,造成支護(hù)失效。

        4 錨噴注控制機(jī)理及方案

        4.1 控制機(jī)理

        綜合回風(fēng)大巷的變形特征及原因分析,改變巷道方向或者重新掘進(jìn)巷道不僅影響煤礦正常的生產(chǎn),而且經(jīng)濟(jì)上不合理,為此提出采用錨噴注聯(lián)合支護(hù)的強(qiáng)力支護(hù)方式。即首先對錨網(wǎng)之后的巷道進(jìn)行噴漿封閉,隔絕空氣,同時防止漏漿;其次對巷道進(jìn)行淺部注漿,進(jìn)一步封閉巷道淺部煤巖體中的裂隙,為錨桿提供穩(wěn)定的受力基礎(chǔ),同時提高可注性,為深部注漿提供條件;最后對巷道進(jìn)行深部注漿,封閉錨索錨固范圍內(nèi)的裂隙,提高整個支護(hù)系統(tǒng)的整體性,使得錨桿索等永久支護(hù)體與煤巖體形成復(fù)合承載結(jié)構(gòu),解決軟弱煤巖體變形量大的問題。錨噴注的加固機(jī)理如圖4。

        圖4 錨噴注加固機(jī)理示意圖

        4.2 錨網(wǎng)噴支護(hù)設(shè)計(jì)

        (1)采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)

        改用BHRB500 鋼材制作的Φ22 mm×2400 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,屈服載荷500 MPa,拉斷載荷254 kN。配150 mm×150 mm×8 mm 的沖擊碟形墊片,預(yù)緊力矩≥300 N·m。

        (2)增加錨索長度

        將錨索長度由8200 mm 增加為12 000 mm,并且要求深入到頂板粉砂巖中的距離≥1.5 m,配4根Z2360 和2 根CK2360 錨固劑。

        4.3 注漿加固

        深淺孔的注漿設(shè)計(jì)如圖5。

        圖5 深淺注漿設(shè)計(jì)(單位:mm)

        注漿材料為水泥和水玻璃的雙液漿,體積比為1:0.2。深部注漿孔的深度為12 000 mm,淺部注漿孔的深度為2500 mm。注漿孔的間距應(yīng)小于2 倍的擴(kuò)散半徑,以此設(shè)計(jì)每排注漿孔的數(shù)量為11 個,其中深部注漿孔5 個,淺部注漿孔6 個。注漿孔設(shè)置在錨桿排之間,排距為800 mm。淺部注漿孔的壓力≤2 MPa,深部注漿孔的壓力≥5 MPa。注漿順序由下往上,先注底角及兩幫,最后位于巷道中間的深部注漿孔。

        4.4 應(yīng)用效果監(jiān)測

        采用錨噴注的支護(hù)方案后,在回風(fēng)大巷內(nèi)每隔50 m 設(shè)置一個測站,對巷道表面位移進(jìn)行觀測,連續(xù)3 d 變形值不超過5 mm 停止觀測。3 號測點(diǎn)的觀測結(jié)果如圖6。

        圖6 3 號測點(diǎn)巷道表面位移觀測結(jié)果

        由圖6 可以看出,采用新的支護(hù)方式后,巷道變形緩慢,變形速率小,兩幫移近量74 mm,頂板下沉量98 mm。巷道底板穩(wěn)定,最大底鼓30 mm,對生產(chǎn)影響較小。

        5 結(jié)論

        (1)錨噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以提高軟弱煤層巷道支護(hù)系統(tǒng)的整體性,使得錨桿索等永久支護(hù)體與煤巖體形成復(fù)合承載結(jié)構(gòu),解決軟弱煤巖體變形量大的問題。

        (2)回風(fēng)大巷采用錨噴注聯(lián)合網(wǎng)支護(hù)后,巷道變形量小,保證了礦井的正常生產(chǎn),但成本相對較高,對服務(wù)年限較長的礦井開拓巷道和采區(qū)準(zhǔn)備巷道效果較好。

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