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        厚煤層巷道掘進冒漏機理及安全支護技術(shù)

        2022-04-22 07:43:02張立業(yè)
        山東煤炭科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:鋼棚錨索錨桿

        張立業(yè)

        (晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)公司,山西 大同 037031)

        巷道掘進過程中受斷層影響破壞了原巖穩(wěn)定性,改變了圍巖力學性質(zhì),導致斷層帶附近圍巖出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為頂板破碎、斷裂、下沉甚至局部冒漏,底板鼓起,兩幫片幫以及收斂等。采用傳統(tǒng)錨桿(索)對變形圍巖進行支護時,支護體錨固效果差,支護失效率高,無法對變形圍巖進行控制。本文以白洞礦2106巷為研究對象,對巷道掘進過斷層期間頂板出現(xiàn)冒漏機理進行分析,根據(jù)掘進現(xiàn)狀采取合理有效的圍巖聯(lián)合控制技術(shù)[1-5],保證巷道快速過冒漏區(qū),防止冒漏區(qū)范圍進一步擴大。

        1 概況

        晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)公司2106巷位于301盤區(qū)3#煤層南部,北部為實煤區(qū),西部為盤區(qū)回風巷、軌道巷和皮帶巷,南部為已采的8108工作面,東部為礦界煤柱。2106巷設(shè)計全長144.6 m,掘進煤層為石炭系3#煤層,煤層總厚為10.42~11.37 m,煤層普遍有5~8層夾矸,夾矸厚一般為0.72 m,夾矸斷斷續(xù)續(xù),不穩(wěn)定。煤層屬于穩(wěn)定煤層,巷道在煤層中掘進時煤層結(jié)構(gòu)、煤體基本無變化。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

        表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性表

        2106巷設(shè)計為矩形斷面,凈寬5500 mm,凈高為4000 mm,凈斷面積為22.0 m2,底板硬化鋪設(shè)150 mm混凝土。

        2 巷道掘進現(xiàn)狀及問題分析

        2.1 巷道掘進現(xiàn)狀

        (1)巷道采用錨桿(索)+W型鋼帶聯(lián)合支護,如圖1。

        2106巷頂板采用錨桿與W型鋼帶配合支護。每排布置6根長度為2.0 m、直徑為20 mm錨桿,錨桿間距1.0 m,排距為1.2 m。W型鋼帶長度5.2 m,寬度為0.25 m。巷道每掘進3.0 m在頂板施工3根單錨索,錨索布置間距為2.0 m,錨索長度為5.0 m,直徑為17.8 mm。錨索與長度及寬度為0.3 m鋼托板聯(lián)合支護。

        2106巷巷幫采用單錨桿與金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。巷幫布置4排長度為2.0 m、直徑為18 mm單錨桿,錨桿外露端安裝一根長度0.4 m、寬度0.25 m“W”型鋼帶,錨桿安裝間排距為1.0 m。

        (2)2106巷采用綜合機械化掘進工藝,已掘進至572 m。巷道掘進至560 m處時揭露F7正斷層,斷層落差為1.9 m,傾角為65°,斷層與巷道成67°夾角,斷層對巷道掘進影響長度為52 m。巷道掘進至560 m處時頂板破碎,掘進至562 m處時頂板出現(xiàn)第一次冒漏,冒漏高度為1.2 m,冒漏寬度為2.3 m,巷道冒漏后及時采取密集錨索進行加固,控制了頂板冒漏現(xiàn)象。掘進至568 m時,頂板第二次出現(xiàn)冒漏,冒漏高度達3.5 m,寬度為3.7 m,長度為4.0 m,冒漏區(qū)成不規(guī)則半圓狀,冒漏區(qū)內(nèi)煤巖體無穩(wěn)定結(jié)構(gòu),導致冒漏區(qū)支護難度大、支護效果差。

        2.2 頂板冒漏機理

        (1)煤層賦存差。2106巷為全煤巷道,3#煤層結(jié)構(gòu)相對復雜,煤層內(nèi)多層夾矸破壞了煤體結(jié)構(gòu),3#煤層平均單軸抗壓強度不足15 MPa。巷道為矩形斷面,巷道掘進過程中頂板與巷幫之間的肩角煤易出現(xiàn)失穩(wěn),煤體間靜摩擦角變小,局部肩角煤柱垮落、破碎,導致兩幫煤柱穩(wěn)定性降低。兩幫煤柱失穩(wěn)過程中造成頂板承載梁力學結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,降低了頂板穩(wěn)定性。

        (2)地質(zhì)構(gòu)造影響。F7斷層侵入對2106巷影響較大,斷層侵入后破壞了煤巖體連續(xù)穩(wěn)定結(jié)構(gòu),巷道在揭露斷層前后期間構(gòu)造應(yīng)力沿掘進空間以及斷裂帶下卸壓釋放。在卸壓過程中構(gòu)造應(yīng)力對煤巖體產(chǎn)生水平剪切破壞作用,造成斷層帶附近煤體酥松破碎,局部煤體硅化現(xiàn)象。

        (3)掘進工藝影響。2106巷沿3#煤層底板掘進,掘進高度為4.0 m,留頂煤厚度達7.37 m。巷道掘進后雖然采用錨桿(索)對頂煤及時進行控制維護,但是頂煤受構(gòu)造應(yīng)力、上覆巖體重力等影響,煤體出現(xiàn)斷裂、破碎現(xiàn)象,頂煤承載強度降低。

        (4)支護強度不足。原頂板中主要采用錨桿(索)支護,錨桿(索)支護主要通過錨固和預應(yīng)力作用實現(xiàn)支護作用。而2106巷在掘進過程中頂煤穩(wěn)定性差,頂板破碎過程中形成圍巖松動圈,松動圈范圍擴散至錨桿(索)錨固段時,造成錨桿(索)錨固失效現(xiàn)象,支護質(zhì)量降低。

        3 冒漏區(qū)支護技術(shù)

        為了控制冒漏區(qū)范圍擴大,提高冒漏區(qū)圍巖穩(wěn)定性,防止冒漏區(qū)有害氣體超限,決定對2106巷冒漏區(qū)圍巖采取“注錨加固+人工假頂填充+密集鋼棚”聯(lián)合加固技術(shù)。

        3.1 注漿加固

        (1)注漿加固目的。通過對2106巷冒漏區(qū)附近裂隙巖體進行注漿,使?jié){液滲透至裂隙帶內(nèi)對裂隙巖體進行填充、粘接,從而加固裂隙巖體整體穩(wěn)定性,形成具有柔性的人工承載結(jié)構(gòu),增加破碎巖體抗載荷能力,防止巖體二次冒漏。

        (2)注漿材料及設(shè)備。采用2ZBQS7/12型氣動注漿泵進行注漿施工,額定流量為7 L/min,額定注漿壓力為12 MPa,供氣壓力為0.5 MPa。該注漿泵可利用工作介質(zhì)(漿液,壓縮空氣)傳遞壓力,組成閉環(huán)自動調(diào)控性能,結(jié)構(gòu)簡單可靠。注漿材料采用聚氨酯與固化劑以1:1混合的高分子材料,該注漿材料具有黏度低、滲透能力強、凝固速度快且凝固過程中發(fā)熱溫度為90 ℃、不易自燃等優(yōu)點。

        (3)注漿工序。① 首先在巷道冒漏區(qū)以及冒漏區(qū)往后10 m范圍內(nèi)頂板施工注漿鉆孔。冒漏區(qū)內(nèi)注漿鉆孔沿冒漏區(qū)頂板四周布置,鉆孔深4.0 m;冒漏區(qū)往后10 m范圍內(nèi)注漿鉆孔深度為3.0 m。鉆孔布置間距為2.0 m。② 注漿時由外向里依次注漿加固,單孔注漿順序為:安裝注漿軟管→安裝封孔器→連接注漿泵→開啟注漿泵。③ 注漿過程中單孔注漿量不得低于45 kg,注漿壓力控制在1.5 MPa左右,注漿時間不低于15 min。

        3.2 人工假頂施工

        待工作面注漿加固完成后,對工作面施工人工假頂及組合錨索。

        (1)由于冒漏區(qū)范圍及高度較大,為了提高冒漏區(qū)假頂穩(wěn)定性,首先在冒漏區(qū)下方施工三架錨索吊棚。吊棚長度為4.2 m,每架吊棚采用兩根長度為4.0 m錨索起吊,錨索吊棚與巷道兩幫垂直布置,吊棚布置間距為1.5 m。吊棚施工后,吊棚面與頂板之間間隙為0.1 m。

        (2)冒漏區(qū)錨索吊棚施工完后,在吊棚上方依次鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、風筒布,然后在其上方采用道木架設(shè)雙組“井”的木垛。木垛架設(shè)后必須與冒漏區(qū)頂板接觸嚴實。

        (3)冒漏區(qū)人工假頂施工完后,采用注漿泵對假頂間隙注入羅克休進行封堵,防止煤體氧化自燃現(xiàn)象。

        (4)假頂施工完后10 m范圍采用組合錨索加固。組合錨索主要由一塊寬度及長度為0.5 m鋼板以及3根長度為10.3 m、直徑為21.8 mm恒阻錨索組成。每排施工兩組組合錨索,布置間距為2.0 m,排距為3.0 m,如圖2。

        3.3 梯形鋼棚加固

        冒漏區(qū)圍巖注漿、假頂施工后,為防止巷道掘進過程中受施工擾動影響,假頂區(qū)下沉、垮落,決定從560 m處對巷道頂板安裝梯形鋼棚進行加固。

        (1)梯形鋼棚主要由頂梁、棚腿、卡纜、底座、連接桿等部分組成。頂梁長度為5.2 m,頂梁采用14#槽鋼焊制而成,頂梁兩端各焊制一組直徑為30 mm圓孔。棚腿采用U29型鋼棚焊制而成,每根棚腿由兩節(jié)長度為2.5 mU29型鋼組成。

        (2)梯形棚安裝順序為:底座→棚腿→頂梁。鋼棚安裝過程棚腿與頂梁之間夾角為75°,鋼棚底座與底板采用地錨進行固定,鋼棚安裝間距為1.0 m。所有鋼棚安裝后在相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用一組連接桿進行固定。

        4 結(jié)論

        (1)冒漏區(qū)圍巖采取注漿后,裂隙巖體單軸抗壓強度由原來不足20 MPa提高至38.7 MPa,大大提高原巖強度,對裂隙帶進行有效填充,控制了裂隙帶延伸以及圍巖松動圈范圍擴大。

        (2)對冒漏區(qū)采取人工假頂施工后,實現(xiàn)了冒漏區(qū)填充加固作用,增加了冒漏區(qū)頂板巖體穩(wěn)定性,防止因巷道掘進過程中受掘進擾動影響以及圍巖蠕動變形影響,出現(xiàn)冒漏范圍擴大現(xiàn)象;對冒漏區(qū)填充后杜絕了冒漏區(qū)圍巖與空氣接觸氧化現(xiàn)象。

        (3)相比傳統(tǒng)矩形鋼棚,梯形鋼棚可調(diào)整棚腿迎山角適應(yīng)不同應(yīng)力狀態(tài)下的圍巖支護,具有變形率小、支撐強度高等優(yōu)點。通過安裝梯形鋼棚后降低了冒漏區(qū)圍巖應(yīng)力對煤柱剝離破壞作用,提高了兩幫煤柱穩(wěn)定性,控制了肩角煤柱垮落現(xiàn)象。

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