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        近距離煤層巷道掘進(jìn)工藝及支護(hù)技術(shù)

        2022-07-14 03:11:40王燕青
        山東煤炭科技 2022年6期
        關(guān)鍵詞:鋼棚縱梁膠帶

        王燕青

        (山西壽陽潞陽瑞龍煤業(yè)有限公司,山西 晉中 045400)

        1 概況

        潞陽瑞龍煤業(yè)現(xiàn)開采15#和煤層。150108膠帶巷位于井田東翼,巷道東部為井田邊界,西部為盤區(qū)大巷,南部為150109 軌道巷,北部為150108 軌道巷。150108 膠帶巷設(shè)計(jì)長度為1357 m,巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面,斷面規(guī)格為寬×高=4.8 m×3.2 m。巷道沿煤層底板掘進(jìn),煤層傾角-9°~16°,平均傾角8°,平均厚度 3.5 m。煤層直接頂板為泥巖,厚度為 2.0~4.5 m,平均厚度3 m;往上為15#煤,煤層平均厚度1.8 m;15#煤直接頂為粉砂巖,厚度 2~3 m;往上依次為厚度5~7 m 的砂質(zhì)泥巖、厚度4 m 細(xì)砂巖、炭質(zhì)泥巖、煤、炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、14#煤和K3 石灰?guī)r。煤直接底為泥巖,平均厚度10.2 m。

        礦井東翼的15#煤已回采完畢,煤層布置3 個(gè)工作面,150108 軌道順槽位于實(shí)體煤下,150108 膠帶巷開口至600 m 段位于實(shí)體煤下,再往里局部巷段位于150102 采空區(qū)下,采空區(qū)下巷道掘進(jìn)長度為120 m,巷道與上覆采空區(qū)平均層間距為4.5 m,屬于近距離采空區(qū)下掘巷,如圖1。

        圖1 150108 膠帶巷與上覆采空區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

        2 巷道斷面優(yōu)化

        2.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

        150108 膠帶巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝,巷道已掘進(jìn)至620 m 處。巷道前期掘進(jìn)過程中為矩形斷面,巷道頂板采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù),錨桿長度為2.4 m,直徑為22 mm, 托盤150 mm×150 mm×10 mm;錨桿排距0.9 m,間距1.0 m,每排布置5 根。頂板錨索采用1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長度4.0 m,直徑為21.8 mm,采用“三·二”布置,間距1.6 m,排距1.8 m,錨索安裝在兩排錨桿間頂板的中部。

        150108膠帶巷在前600 m掘進(jìn)時(shí)圍巖相對(duì)穩(wěn)定,頂板錨桿(索)支護(hù)效果較好,頂板變形量在0.12 m 以下,兩幫收斂量在0.17 m 以下,未出現(xiàn)頂板破碎、兩幫垮落現(xiàn)象。當(dāng)巷道掘進(jìn)至600 m 處時(shí)進(jìn)入上覆15#煤層150102 工作面采空區(qū)下方,巷道掘進(jìn)至610 m 處時(shí)由于受上覆采空區(qū)殘余應(yīng)力以及巷道開挖應(yīng)力影響,層間巖體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象,巖體內(nèi)裂隙高度發(fā)育,圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,頂板破碎、兩幫垮落,頂板錨桿支護(hù)失效率達(dá)17%,頂板最大下沉量達(dá)0.38 m,兩邊最大垮落深度達(dá)1.4 m。

        2.2 巷道斷面優(yōu)化

        (1)為了降低采空區(qū)殘余應(yīng)力對(duì)兩幫破壞力度,提高兩幫對(duì)頂板支撐強(qiáng)度,促使頂板形成連續(xù)穩(wěn)定的應(yīng)力梁,巷道掘進(jìn)至620 m 處時(shí)對(duì)巷道斷面進(jìn)行優(yōu)化,改用梯形斷面。

        (2)優(yōu)化后的梯形斷面巷高為3.2 m,頂板寬度為3.8 m,底板寬度為5.2 m,兩幫迎山角為78°,巷道頂板及兩幫永久支護(hù)與原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)相同。

        (3)近距離采空區(qū)下巷道掘進(jìn)期間為了提高巷道成型率,防止掘進(jìn)機(jī)一次性掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)進(jìn)度控制不到位,造成頂板垮落現(xiàn)象,決定對(duì)620~720 m段巷道采取機(jī)械與爆破相結(jié)合的分層掘進(jìn)工藝。即巷道下斷面采用松動(dòng)爆破施工工藝,上斷面采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)。

        (4)下斷面為梯形斷面,斷面高度為1.6 m,上邊寬度為5.0 m,下邊寬度為5.2 m。下斷面布置兩排松動(dòng)爆破孔,孔深為1.0 m,直徑為40 mm,鉆孔布置間距為1.0 m,每排布置5 個(gè),兩排鉆孔布置排距為1.2 m,兩排鉆孔成三花布置。每個(gè)鉆孔內(nèi)填裝一支乳化炸藥以及一發(fā)電雷管,炮孔采用水炮泥封孔處理,封孔長度不低于0.5 m,每次爆破鉆孔數(shù)量為3 個(gè)。

        (5)下斷面爆破施工后,在爆破震動(dòng)作用下,上斷面煤體出現(xiàn)圍巖裂隙,降低了圍巖穩(wěn)定性及巖體強(qiáng)度,此時(shí)上斷面采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn),單茬掘進(jìn)深度為0.8 m。

        3 采空區(qū)下巷道支護(hù)技術(shù)

        為了提高近距離采空區(qū)下巷道掘進(jìn)時(shí)頂板穩(wěn)定性,防止頂板出現(xiàn)垮落事故,在原頂板支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)頂板施工“注漿錨桿+錨索鋼梁+梯形棚”聯(lián)合支護(hù)[1-5]。

        3.1 注漿錨桿支護(hù)

        (1)注漿錨桿與原巷道頂板錨桿配合使用,注漿錨桿采用“三·二·三”布置方式,將原頂板每排中1#(幫部)、3#(中部)、5#(幫部)錨桿替換為注漿錨桿,2#、4#繼續(xù)使用原頂板螺紋鋼錨桿,第二排2#、4#變?yōu)樽{錨桿,以此類推。注漿錨桿布置排間距為2.0 m。如圖2。

        (2)150108 膠帶巷頂板施工的注漿錨桿主要由長度為3.5 m、直徑為40 mm 無縫中空鋼管焊制而成,注漿錨桿端部焊制三排注漿射孔,射孔直徑為10 mm,孔間距為0.3 m,每排7 個(gè)。

        (3)注漿錨桿施工順序:鉆孔施工→錨注注漿錨桿→安裝注漿軟管→開泵注漿施工→安裝承載件;注漿液采用聚氨酯粘合劑,注漿壓力2.5 MPa,單孔注漿量為21.5 kg。

        3.2 錨索鋼棚施工

        為了提高頂板承載強(qiáng)度,防止頂板出現(xiàn)破碎、下沉現(xiàn)象,對(duì)頂板施工聯(lián)鎖錨索鋼棚支護(hù)。

        (1)錨索鋼棚支護(hù)主要由JW 型鋼梁、恒阻錨索以及連接縱梁等部分組成,JW 型鋼梁長4.5 m,寬度為0.32 m,鋼梁上布置三個(gè)錨索支護(hù)孔,孔間距為1.8 m。

        (2)恒阻錨索長4.0 m,直徑為21.8 mm,連接縱梁采用12#槽鋼焊制而成,縱梁長度為2.2 m,縱梁兩端焊制成凹槽狀,槽鋼縱梁與JW 型鋼梁采用卡纜進(jìn)行固定。

        (3)首先在相鄰兩排錨桿之間空隙的頂板施工JW 型錨索鋼棚,鋼棚布置排距為2.0 m,每架JW 型鋼棚采用三根恒阻錨索進(jìn)行固定。JW 型鋼梁在安裝后預(yù)緊前,對(duì)相鄰兩架吊棚之間安裝3 根縱梁并固定,縱梁安裝后對(duì)JW 型吊棚預(yù)緊,預(yù)緊后確保縱梁、JW 型梁與頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

        3.3 梯形棚支護(hù)

        為了提高頂板及兩幫圍巖抗載荷能力,降低頂板垂直應(yīng)力對(duì)頂板及兩幫破壞力度,在采空區(qū)下段架設(shè)密集梯形鋼棚。

        (1)每架梯形棚主要由兩節(jié)棚腿、底座、頂梁、卡纜、拉桿等部分組成。棚腿與底座之間采用螺母固定,棚腿長度為3.5 m,采用U29 型鋼焊制而成,棚腿頂部安裝一塊對(duì)接鋼板,鋼板上焊制四個(gè)卡纜固定孔。

        (2)頂梁長度為4.2 m,頂梁采用5 根直徑為30 mm 圓鋼以及夾板組成,頂梁寬度為0.5 m,頂梁兩端各焊制一個(gè)對(duì)接鋼板,與棚腿頂部對(duì)接鋼棚參數(shù)一致,如圖2。

        圖2 15108 膠帶巷聯(lián)合支護(hù)斷面、平面示意圖(mm)

        (3)梯形棚安裝間距為2.0 m,梯形棚安裝順序?yàn)椋旱鬃锿取斄骸B接桿。相鄰兩架鋼棚采用三組連接桿固定,每組2 根,連接桿長2.0 m,分別安裝在棚腿以及頂梁上,鋼棚棚腿安裝迎山角與兩幫迎山角一致。

        4 效果

        截至2021 年6 月17 日,150108 膠帶巷已掘進(jìn)至780 m 處且完全通過了上覆15#煤層采空區(qū)影響區(qū)段,在650~700 m 段(已采取聯(lián)合支護(hù))處安裝了一臺(tái)YH-300 型數(shù)字顯示離層儀。通過15 d 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),在0~8 d 范圍內(nèi)受集中應(yīng)力影響,頂板同樣出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象,頂板出現(xiàn)下沉;在8~12 d范圍內(nèi)頂板下沉量逐漸減小,12 d 后頂板趨于穩(wěn)定,頂板下沉量控制在0.12 m 以下。同時(shí),采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后,提高了頂板承載強(qiáng)度,降低了頂板垂直應(yīng)力對(duì)兩幫破壞現(xiàn)象,兩幫垮落現(xiàn)象得到了有效控制,最大垮落深度控制在0.7 m 以下。

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