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        極近距離煤層群下層煤回采巷道復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究

        2022-02-08 11:35:26邱文華
        煤炭與化工 2022年12期
        關(guān)鍵詞:錨桿變形

        邱文華

        (山西省中陽(yáng)榮欣焦化有限公司,山西 呂梁 033400)

        近距離煤層群下行開采時(shí),上層煤的底板變成下層煤的頂板,受上層煤采動(dòng)影響,下層煤圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育擴(kuò)張,完整性受到破壞,整體承載能力下降,下層煤巷道普遍存在支護(hù)困難、后期維護(hù)工作量大、成本高、安全性差的問(wèn)題。

        根據(jù)礦山壓力的分布規(guī)律,下層煤巷道普遍采用內(nèi)錯(cuò)布置的方式,即下層煤的回采巷道布置在上層煤的采空區(qū)下。高家莊煤礦首次開采3 號(hào)煤層,回采巷道在2 號(hào)煤采空區(qū)下施工,該礦經(jīng)過(guò)實(shí)踐和探索,總結(jié)出一套復(fù)合支護(hù)方式,取得良好的支護(hù)效果。

        1 概 況

        高家莊井田位于柳林礦區(qū)的南部,即位于鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河?xùn)|煤田中段南部,礦區(qū)的主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組,二疊系下統(tǒng)山西組是一套由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤層組成的陸相含煤建造,其中的2、3、4、5 號(hào)煤層為可采煤層,礦井先期開采地段的一、二盤區(qū)內(nèi)2 號(hào)煤層厚1.4 ~2.2 m,3 號(hào)煤層厚1.1 ~1.9 m,層間距1.9 ~6.0 m,屬于極近距離煤層,3號(hào)煤煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。層間巖柱以泥巖為主,層間距較厚處,泥巖中間局部賦存泥質(zhì)砂巖或粉砂巖,3號(hào)煤底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。

        2 巷道支護(hù)技術(shù)研究

        2.1 初期單棚支護(hù)方案和實(shí)際支護(hù)效果

        2.1.1 回采巷道單純的單棚支護(hù)方案

        設(shè)計(jì)巷道斷面為梯形斷面,礦用12 號(hào)工字鋼架棚支護(hù),棚距700 mm,棚梁長(zhǎng)度為3.8 m,棚腿長(zhǎng)度2.6 m,立柱斜度12°,沿3 號(hào)煤頂板施工,背板幫部4 塊、頂部8 塊,均勻布置,幫頂使用金屬網(wǎng)護(hù)幫護(hù)頂。采用鋼管連板進(jìn)行架間連鎖,提高架棚的整體性。

        2.1.2 單棚支護(hù)實(shí)際支護(hù)效果

        通過(guò)觀察,發(fā)現(xiàn)巷道及架棚的變形情況如下。棚梁滯后掘進(jìn)工作面約10 棚距離,棚梁開始出現(xiàn)彎曲變形,隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn),巷道后路的工字鋼棚梁的彎曲變形繼續(xù)加劇,同時(shí)出現(xiàn)頂板背板斷裂,巷道中間背板斷裂尤為嚴(yán)重;兩幫側(cè)壓開始顯現(xiàn),兩幫上側(cè)煤體凸出,擠壓棚腿登出,有的棚腿出現(xiàn)彎曲或立柱斜度變小,甚至出現(xiàn)負(fù)的立柱斜度,幫部背板出現(xiàn)斷裂,兩肩部的背板斷裂尤為嚴(yán)重;底鼓顯現(xiàn),頂?shù)装迤骄七M(jìn)量600 mm,為了確保頂板安全,隨著向前掘進(jìn),后路必須采取補(bǔ)打中柱,臥底,幫部拆幫后,將棚腿復(fù)位或更換棚腿等工程,后路的整改工程量增大,基本形成了前掘后修的狀況。

        2.2 改進(jìn)后的對(duì)棚支護(hù)方案和實(shí)際支護(hù)效果

        2.2.1 回采巷道對(duì)棚支護(hù)方案

        針對(duì)架棚損壞,棚梁彎曲較為嚴(yán)重的現(xiàn)狀,高家莊煤礦在加強(qiáng)支架強(qiáng)度和減小支架變形方面,對(duì)使用對(duì)棚支護(hù)和改為U 型鋼拱形可伸縮支架支護(hù)進(jìn)行了對(duì)比分析,雖然拱形巷道U 型鋼可伸縮支架架棚支護(hù)在控制頂板變形、防止棚梁彎曲方面有一定的優(yōu)越性,但是針對(duì)采空區(qū)下回采巷道有較多的不適用性,因?yàn)楣靶蜗锏涝诰蜻M(jìn)過(guò)程中需要切割一定厚度的頂板泥巖,在頂板較薄的前提下,再次切割容易降低頂板承載力,拱肩兩處的煤巖體自穩(wěn)能力差,容易片落,直接影響施工安全,且不利于巷道成型,架棚的背板工作量大,U 型鋼可伸縮支架對(duì)兩幫側(cè)壓的抵抗有一定的局限性,又考慮到在回采期間,拱形巷道在進(jìn)行超前支護(hù)時(shí),支架回撤困難,填頂坑木消耗量較大,因此放棄拱形巷道U型鋼可伸縮支架支護(hù),改為對(duì)棚支護(hù)。對(duì)棚支護(hù)仍為12 號(hào)工字鋼架棚支護(hù),斷面不變,對(duì)棚的棚距改為800 mm,幫頂背板數(shù)量不變,均勻布置,背板靠近幫頂仍使用金屬網(wǎng)護(hù)幫護(hù)頂,如圖1 所示。

        圖1 工字鋼架棚支護(hù)Fig.1 Support of i-shaped steel frame shed

        2.2.2 對(duì)棚支護(hù)實(shí)際支護(hù)效果

        對(duì)棚支護(hù)后,棚梁彎曲跟進(jìn)掘進(jìn)工作面的距離有所加大,后路棚梁彎曲的嚴(yán)重程度有所減輕,但是仍然出現(xiàn)頂板下沉、棚梁彎曲、背板斷裂的現(xiàn)象,側(cè)壓顯現(xiàn)明顯,出現(xiàn)幫部鼓出、棚腿登出的現(xiàn)象,底鼓依然沒(méi)有改觀;對(duì)棚支護(hù)還存在費(fèi)用高、進(jìn)度慢、支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、頂板易掉落、不利于頂板管理的弊端。

        考慮到回采時(shí)架棚的回收復(fù)用問(wèn)題,單純的架棚支護(hù),在巷道大變形且頂幫破碎又無(wú)臨時(shí)支護(hù)的狀況下,架棚回撤勢(shì)必會(huì)造成漏頂、攤幫,因此無(wú)法回撤架棚,綜合考慮無(wú)論單棚支護(hù)還是對(duì)棚支護(hù),均不能有效解決極近距離煤層群下層煤回采巷道的支護(hù)問(wèn)題,還需要進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)方式。

        2.2.3 架棚支護(hù)礦山壓力和巷道變形分析

        結(jié)合礦山壓力理論,認(rèn)為巷道開挖后,頂板泥巖薄板結(jié)構(gòu)在被開挖的短時(shí)間內(nèi),能夠暫時(shí)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),因此在工作面架棚過(guò)程中,僅有局部的偽頂?shù)袈?,能夠在短時(shí)間內(nèi)完成架棚支護(hù)的各工序,隨著施工的前掘,頂板泥巖薄板結(jié)構(gòu)在開挖后失去下部支撐的狀態(tài)下,在上部自重應(yīng)力及采空區(qū)應(yīng)力的作用下,開始逐漸出現(xiàn)彎曲變形,頂部泥巖薄板結(jié)構(gòu)裂隙不斷擴(kuò)展,頂板中部首先受拉破壞,泥巖薄板結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞,待頂板裂隙貫穿整個(gè)泥巖薄板后,泥巖薄板結(jié)構(gòu)的殘余支撐壓力顯著下降,頂板的彎曲變形隨之加劇,頂板的彎曲下沉直接作用在棚架背板上,然后傳遞給棚梁,棚梁彎曲后支撐作用明顯降低,隨著應(yīng)力傳遞的加大,棚梁彎曲愈來(lái)愈嚴(yán)重,棚梁的支撐作用隨著自身彎曲撓度的增加,其支撐阻力逐漸降低,支撐作用越來(lái)越小,因此出現(xiàn)棚梁嚴(yán)重彎曲、背板嚴(yán)重?cái)嗔训默F(xiàn)象;同時(shí)由于巷道開挖和棚架支撐作用的降低,頂板應(yīng)力傳遞給巷道兩幫附近的煤巖上,兩幫上側(cè)的煤體強(qiáng)度低于周圍巖體,首先煤體發(fā)生塑性變形,表現(xiàn)為外凸,直接對(duì)幫部支護(hù)造成損壞。隨著應(yīng)力傳遞的加大,兩幫煤體塑性區(qū)向圍巖深部發(fā)展,兩幫大面積擠出,因此出現(xiàn)嚴(yán)重的幫部變形、支護(hù)受損的現(xiàn)象。頂板應(yīng)力傳遞給巷道兩幫附近的煤巖上,又傳遞給巷道的底板,因此出現(xiàn)巷道大面積底鼓現(xiàn)象。

        通過(guò)以上分析,單純依賴架棚的支撐阻力,其控制圍巖變形和壓力傳遞作用非常有限,要約束頂板泥巖薄板結(jié)構(gòu)的變形,首先要重新構(gòu)建提高圍巖自身承載能力,減緩頂板壓力傳遞,其次是增加幫部強(qiáng)度,發(fā)揮圍巖殘余支撐能力,減小側(cè)向變形和橫向推力,同時(shí)利用架棚給于破碎巖體充足的圍壓,保證架棚結(jié)構(gòu)恒定支護(hù)阻力,控制巷道變形。

        錨桿支護(hù)是將煤層的圍巖施以預(yù)應(yīng)力使巖體產(chǎn)生懸吊、組合梁作用,對(duì)頂板進(jìn)行加固,對(duì)于極近距離煤層下部巷道支護(hù)可以采取錨桿和鋼帶、金屬網(wǎng)共同支護(hù)的方式,重新構(gòu)建并提高圍巖自身的承載能力,從而起到加固頂板的作用。

        2.3 錨網(wǎng)帶+架棚支護(hù)方案和實(shí)際支護(hù)效果

        2.3.1 錨網(wǎng)帶+ 架棚支護(hù)方案

        錨網(wǎng)帶支護(hù)的頂板錨桿長(zhǎng)度2.5 m,(長(zhǎng)度可根據(jù)層間距調(diào)整為1.8 m 或1.6 m 等) 間距0.85 m,排距0.7 m,并配套BHW-280-3.00 礦用W 型鋼帶和金屬網(wǎng),幫部錨桿長(zhǎng)度2.5 m,間距0.8 m,排距0.7 m,并配套BHW-280-3.00 礦用W 型鋼帶和金屬網(wǎng),頂部5 根錨桿,幫部3 根錨桿。

        架棚采用12 號(hào)礦用工字鋼梯形棚單棚支護(hù)。架棚支護(hù)要素同上述的單棚支護(hù),如圖2 所示。

        圖2 錨網(wǎng)索和架棚聯(lián)合支護(hù)Fig.2 Combined support of anchor cable and shelf

        2.3.2 錨網(wǎng)帶+ 架棚支護(hù)效果

        增加了錨網(wǎng)帶支護(hù)后,距離工作面100 m 范圍內(nèi)的巷道變形基本得到控制,但是后路變形依然存在,主要表現(xiàn)在隨著頂板的下沉,直接造成頂板中間的背板斷裂,棚梁出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象,幫部的變形基本得到控制,兩幫煤層的外凸和棚腿登出現(xiàn)象幾乎沒(méi)有出現(xiàn)。通過(guò)觀測(cè)分析,在層間距較薄的區(qū)段棚梁先期出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,在層間距較厚的區(qū)段棚梁基本不變形,基本上符合層間距小于3 m 時(shí),棚梁彎曲嚴(yán)重,大于3 m 時(shí)棚梁變形量小或不變形的規(guī)律,由于巷道的服務(wù)周期長(zhǎng),回采過(guò)程中,還要經(jīng)受回采超前壓力的影響,因此,為了防止棚梁彎曲、頂板下沉,必須采取進(jìn)一步的加固措施。

        2.3.3 錨網(wǎng)帶+ 架棚支護(hù)礦山壓力和巷道變形分析

        上部煤層開采后,下部煤層的巷道頂板尚未完全破碎,且具備足夠的厚度作為錨固體。巷道頂板選用錨桿支護(hù)是可行的,錨桿支護(hù)是一種主動(dòng)支護(hù),不僅起到組合梁加固頂板完整性的作用,而且起到對(duì)泥巖薄板結(jié)構(gòu)下部巖層的懸吊作用,在掘進(jìn)過(guò)程中單一錨桿支護(hù)可以短期內(nèi)確保巷道圍巖穩(wěn)定,但是由于層間距小,無(wú)法進(jìn)行錨索支護(hù),因此層間距巖柱的薄板結(jié)構(gòu)整體失去了用錨索將錨桿組合梁進(jìn)行懸吊的作用,泥巖薄板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了滯后彎曲現(xiàn)象,直接造成巷道中間的背板斷裂,進(jìn)而使棚梁彎曲,這就要求棚架能發(fā)揮最大的支撐作用,也要求在壓力較大的情況下架棚能夠讓壓,防止折損,保持對(duì)破壞圍巖恒定的抵抗力。層間距巖柱的薄板結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過(guò)錨桿支護(hù)后,本身具備一定的自身承載能力,但是泥巖薄板結(jié)構(gòu)隨著厚度的變化,承載能力不均勻,因此要針對(duì)層間距相應(yīng)較薄的區(qū)域進(jìn)行加固。

        2.4 錨網(wǎng)帶+架棚讓壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案和實(shí)際支護(hù)效果

        2.4.1 錨網(wǎng)帶+ 架棚讓壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

        錨網(wǎng)帶支護(hù)和架棚支護(hù)要素同上述,架棚的讓壓措施是減少支架頂部的背板塊數(shù),由原來(lái)的8 塊減為4 塊,中間的4 塊背板不再支護(hù),兩幫各減少2 塊背板,即背板形成幫二頂四,棚梁的上方中間部分留出讓壓空間,針對(duì)層間距小于3 m 的區(qū)段采取巷道中間補(bǔ)打單體液壓支柱進(jìn)行加固的方案,采用單體柱+一字鉸接頂梁支護(hù),單體直徑不得低于100 mm,在巷道施工中,即使層間距大于3 m 的區(qū)段,如果發(fā)現(xiàn)壓力較大時(shí),需及時(shí)補(bǔ)打中柱,防止頂梁損壞,如圖3 所示。

        圖3 錨網(wǎng)索和架棚補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)Fig.3 Reinforcement support of anchor cable and shelf

        2.4.2 錨網(wǎng)帶+ 架棚讓壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果

        通過(guò)采取讓壓措施和單體支柱加固措施,棚梁不再?gòu)澢?,?duì)于層間距較小的區(qū)段頂板彎曲下沉和棚梁的彎曲也得到了有效控制,單體支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)可以當(dāng)做回采順槽的超前支護(hù),回采巷道拆除工字鋼支護(hù)時(shí)再回撤單體支柱,由于頂板下沉和棚梁彎曲得到控制,巷道具有成型好、后期拆除快捷、勞動(dòng)消耗小、工字鋼重復(fù)利用高的特點(diǎn)。

        2.4.3 錨網(wǎng)帶+ 架棚讓壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)礦山壓力和巷道變形分析

        通過(guò)巷道棚梁上方留有一定的變形空間,使頂部的泥巖薄板結(jié)構(gòu)中部的彎曲不再直接作用在背板和棚梁上,頂部的泥巖薄板結(jié)構(gòu)得到有限變形并釋放了一定的能量后,使其穩(wěn)定或達(dá)到變形極限,不再?gòu)澢冃?,?jīng)過(guò)能量釋放后,即使再作用在棚梁之上,棚梁的受力也相應(yīng)減小,使棚梁不再?gòu)澢?,?duì)于層間距較小的區(qū)段,由于自身的承載能力下降,可能先期彎曲變形,作用在棚梁上的地應(yīng)力相對(duì)較大,但是由于中間補(bǔ)打了單體支柱,減小了棚梁的跨度,單體支柱不但起到支撐作用,同時(shí)增加了棚梁的支撐力,使棚梁不再?gòu)澢冃巍?/p>

        3 結(jié) 語(yǔ)

        極近距離煤層群在經(jīng)受上層煤采動(dòng)應(yīng)力以及殘余應(yīng)力的影響下,下層煤巷道穩(wěn)定性較差,巷道變形嚴(yán)重,上下層煤層中間特殊的泥巖薄板結(jié)構(gòu)是巷道支護(hù)的重點(diǎn),錨桿支護(hù)約束頂板變形,重新構(gòu)建并利用圍巖自身的承載能力,減小減緩頂板壓力的傳遞是重要的支護(hù)手段。架棚結(jié)構(gòu)可靠的支撐阻力和讓壓性是確保巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵,單體支柱分段支護(hù)是重要的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明,回采巷道大面積破壞的現(xiàn)象基本消失,錨網(wǎng)帶+架棚讓壓補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的復(fù)合支護(hù)方式控制頂板效果明顯,即經(jīng)濟(jì)又安全,值得推廣。

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