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        相鄰工作面采動(dòng)影響下切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)研究

        2021-11-09 08:29:38郭少波
        山東煤炭科技 2021年10期
        關(guān)鍵詞:回風(fēng)順切頂切縫

        郭少波

        (陜西陜煤榆北煤業(yè)曹家灘礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

        相鄰工作面采動(dòng)應(yīng)力是影響巷道穩(wěn)定性重要因素之一。提前掘進(jìn)巷道受其采動(dòng)影響,產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng),發(fā)生變形,解決其變形破壞問(wèn)題關(guān)鍵在于解決相鄰工作面采動(dòng)影響。以曹家灘煤礦122108 工作面回風(fēng)順槽為研究對(duì)象,研究122106 工作面采動(dòng)影響巷道失穩(wěn)機(jī)理,設(shè)計(jì)解決方案控制巷道變形[1-5]。

        1 工程背景

        (1)工程概況

        122108 工作面回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn),巷道總長(zhǎng)5910 m,凈寬5600 mm,凈高4350 mm,斷面面積為24.36 m2。直接頂平均厚7.02 m,基本頂平均厚20.46 m,采用錨網(wǎng)索、W 型鋼帶和W 型鋼護(hù)板聯(lián)合支護(hù)。煤層頂?shù)装鍡l件見(jiàn)表1。

        表1 122108 工作面煤層頂?shù)装迩闆r表

        (2)工程問(wèn)題

        受122106 工作面回采影響,其外回風(fēng)順槽已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形,無(wú)法再次服務(wù)于122108 工作面的回采。且122108 工作面回風(fēng)順槽靠近122106 工作面采空區(qū)一側(cè),與其外回風(fēng)順槽相鄰,受其回采影響,巷幫發(fā)生變形,底鼓明顯,巷道底板已經(jīng)出現(xiàn)開(kāi)裂、混凝土翹起等變形現(xiàn)象,嚴(yán)重影響正常運(yùn)輸與行人,若不及時(shí)維護(hù)治理,則會(huì)影響122108工作面接替生產(chǎn)。

        2 巷道變形失穩(wěn)原因

        由于曹家灘2-2 煤層頂板厚,強(qiáng)度較高,作為上覆巖層中承載支承應(yīng)力σ 的主要巖層,易擴(kuò)大應(yīng)力的影響范圍,使巷道圍巖支承壓力σ 升高。因此隨著122106工作面向前推進(jìn),基本頂斷裂下沉,使上覆巖層應(yīng)力向四周轉(zhuǎn)移,伴隨巖層破斷產(chǎn)生的采動(dòng)應(yīng)力對(duì)122108 工作面前方巷道產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)。

        隨著122106 工作面推進(jìn),上覆巖層發(fā)生運(yùn)動(dòng),造成應(yīng)力重新分布,由頂板巖層向122108 工作面?zhèn)鬟f,導(dǎo)致其回風(fēng)順槽圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境。由于巷道兩幫支護(hù)強(qiáng)度高,無(wú)法及時(shí)釋放圍巖應(yīng)力,因此應(yīng)力隨兩幫傳遞至巷道底板,通過(guò)底鼓的形式釋放。靠近122108 工作面邊緣處支承應(yīng)力較小,工作面前方部分范圍內(nèi)支承應(yīng)力σ 升高,達(dá)到峰值后迅速減小,趨于原巖應(yīng)力P。卸壓前巖層支承應(yīng)力分布如圖1。

        圖1 卸壓前巖層支承應(yīng)力分布

        綜上所述,122108 工作面回風(fēng)順槽失穩(wěn)變形的主要原因是受122106 工作面采動(dòng)影響。目前巷道已經(jīng)出現(xiàn)底鼓、底板開(kāi)裂等變形現(xiàn)象,嚴(yán)重影響工作面正?;夭伞?/p>

        3 巷道維護(hù)方案設(shè)計(jì)

        3.1 切頂卸壓聯(lián)合NPR 錨索補(bǔ)強(qiáng)方案

        通過(guò)分析122108 工作面回風(fēng)順槽變形失穩(wěn)原因可知,122106 工作面采動(dòng)應(yīng)力主要通過(guò)頂板傳遞,巷道幫部支護(hù)強(qiáng)度高,圍巖應(yīng)力無(wú)法及時(shí)釋放、傳遞至底板,出現(xiàn)巷道底鼓、變形失穩(wěn)。阻止122106工作面采動(dòng)應(yīng)力的傳遞則是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵所在,因此提出采用預(yù)裂切縫爆破卸壓技術(shù)。

        預(yù)裂切縫爆破卸壓技術(shù),通過(guò)預(yù)裂切縫爆破破壞巖層完整性,阻斷122106 工作面上覆巖層應(yīng)力傳遞,使工作面回采之后基本頂可以沿切縫位置及時(shí)垮落,減小基本頂懸臂長(zhǎng)度,避免大面積頂板垮落急劇增壓,影響122108 工作面回風(fēng)順槽穩(wěn)定性和巖層地應(yīng)力重新分布,切頂處應(yīng)力降低,切頂前方一段范圍處于應(yīng)力集中區(qū),遠(yuǎn)端應(yīng)力趨于原巖應(yīng)力。卸壓后巖層支承應(yīng)力分布如圖2。

        圖2 卸壓后巖層支承應(yīng)力分布

        由于122108 工作面回風(fēng)順槽圍巖在切頂前處于高應(yīng)力環(huán)境,切縫爆破產(chǎn)生的沖擊波與應(yīng)力波強(qiáng)度超過(guò)頂板抗拉強(qiáng)度,作用在頂板上,易使巷道圍巖失穩(wěn),若不加以維護(hù)加固,可能進(jìn)一步導(dǎo)致巷道變形。

        采用NPR 恒阻錨索進(jìn)行巷道補(bǔ)強(qiáng)加固,則可以避免由切縫爆破導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn),控制巷道頂板下沉。

        3.2 切頂參數(shù)設(shè)計(jì)

        不同的預(yù)裂切縫設(shè)計(jì),對(duì)巖層間應(yīng)力傳遞的阻隔作用也不同,既需要達(dá)到阻隔122106 工作面采動(dòng)應(yīng)力傳遞的效果,同時(shí)需要兼顧現(xiàn)場(chǎng)施工條件。因此,切頂卸壓方案應(yīng)用是否能達(dá)到預(yù)期效果,關(guān)鍵在于切頂參數(shù)選取是否合理。

        基本頂未貫穿面拉應(yīng)力與切頂高度、切頂角度之間的關(guān)系如式(1):

        式中:σ為基本頂未貫穿面拉應(yīng)力,MPa;h為切頂高度,32 m;α 為切頂角度,60°。

        綜合經(jīng)濟(jì)效益、施工效果考慮,切頂高度25 m,角度60°,即可達(dá)到切頂?shù)哪康?,此參?shù)下定向切縫孔深為29 m。但是考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工誤差,為保證達(dá)到預(yù)計(jì)切頂效果,設(shè)計(jì)定向切縫孔深32 m,切頂角度60°,垂高28 m,計(jì)算得到基本頂未貫穿面拉應(yīng)力為42.1 MPa;再輔助以加強(qiáng)爆破孔深33 m,垂高25 m,角度50°增強(qiáng)切頂效果。曹家灘煤礦2-2號(hào)煤層基本頂主要由中粒砂巖組成,其抗拉強(qiáng)度均不超過(guò)10 MPa,切頂參數(shù)合理。

        3.3 NPR 錨索補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

        為保證工作面巷道穩(wěn)定性,在巷道進(jìn)行切頂前采用NPR 恒阻錨索進(jìn)行加固,根據(jù)122108 工作面情況,選用NPR 恒阻錨索,長(zhǎng)度9000 mm,直徑為21.6 mm,沿鉛垂方向布置?;仫L(fēng)順槽NPR 錨索補(bǔ)強(qiáng)示意圖如圖3。

        圖3 回風(fēng)順槽NPR 錨索補(bǔ)強(qiáng)示意圖

        3.4 臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

        切縫爆破破壞了122108 工作面回風(fēng)順槽頂板巖層的完整性,為了防止爆破影響巷道頂板穩(wěn)定性,導(dǎo)致頂板下沉量增大,選擇采用單體液壓支柱架設(shè)臨時(shí)支護(hù)。在爆破區(qū)域前后50 m 范圍內(nèi),位于切縫側(cè)布置一列排距1 m 單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù),距離巷幫1000 mm;在爆破區(qū)域前后10 m 范圍內(nèi),布置第二列加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)。

        4 工程應(yīng)用效果

        選取122108 工作面回風(fēng)順槽3500~3900 m 作為試驗(yàn)段進(jìn)行預(yù)裂切縫爆破,采用地質(zhì)雷達(dá)勘探發(fā)現(xiàn),爆破區(qū)域內(nèi)頂板沿著預(yù)裂方向裂隙發(fā)育良好,切縫貫通距離為1.2 m。爆破后,通過(guò)PU 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)回風(fēng)順槽超前支護(hù)液壓支架支承應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè),利用所得數(shù)據(jù)繪制回風(fēng)超前支架應(yīng)力曲線圖,如圖4。

        圖4 回風(fēng)超前支架應(yīng)力曲線

        由圖4 可知,未爆破時(shí),超前支架平均應(yīng)力為27.1 MPa,峰值達(dá)到40 MPa;第一次爆破后,降至36.1 MPa,平均應(yīng)力為26.6 MPa;進(jìn)入爆破試驗(yàn)段,降至32.9 MPa;進(jìn)入試驗(yàn)段之后降為28.9 MPa,超前支承應(yīng)力顯著降低。

        如圖5 所示,在試驗(yàn)段采用切頂卸壓聯(lián)合NPR恒阻錨索支護(hù)方案后,通過(guò)PU 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)巷道圍巖位移,巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?35 mm 左右,兩幫移近量最大為80 mm 左右,巷道變形得到有效控制。

        圖5 切頂卸壓后巷道圍巖移近量

        122108 工作面回風(fēng)順槽試驗(yàn)段進(jìn)行切頂卸壓后,巷道超前支架支承應(yīng)力明顯減小,阻隔122106工作面采動(dòng)應(yīng)力傳遞,使巷道切頂范圍內(nèi)處于卸壓狀態(tài),解決了巷道兩幫應(yīng)力無(wú)法釋放的問(wèn)題,有效提高巷道穩(wěn)定性,抑制了巷道圍巖變形,減少巷道變形帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)損失。

        5 結(jié)論

        (1)通過(guò)對(duì)曹家灘煤礦122108 工作面回風(fēng)順槽變形破壞機(jī)理進(jìn)行分析,揭示了巷道易失穩(wěn)變形的主要原因是受相鄰工作面采動(dòng)應(yīng)力影響,為護(hù)巷方案設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

        (2)結(jié)合工作面實(shí)際情況提出采用切頂卸壓方案,同時(shí)使用NPR 恒阻錨索進(jìn)行加固。

        (3)設(shè)計(jì)的方案控制巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?0 mm,兩幫移近量最大為60 mm,巷道變形得到有效控制。

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