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        深埋軟巖巷道變形破壞機理及支護設(shè)計

        2022-07-14 03:12:02余中浩姚金濤魏善斌
        山東煤炭科技 2022年6期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)巷軟巖測站

        余中浩 姚金濤 魏善斌

        (安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

        宿州朱仙莊煤礦Ⅱ836 工作面風(fēng)巷屬于深埋軟巖巷道,容易產(chǎn)生頂板下沉、片幫、底鼓等變形破壞,所以其支護工作相對困難。為了保證巷道圍巖在工作時不發(fā)生失穩(wěn)破壞,必須對深埋軟巖巷道工作面開展支護設(shè)計可行性研究,研究其圍巖受到外力影響時失穩(wěn)破壞的內(nèi)在因素,并為巷道支護設(shè)計合理的方案[1-5],以達到滿足安全使用的要求。

        1 工程概況

        Ⅱ836 工作面回采煤層為8 煤層,回采上限為-500.3 m,下限為-613.3 m,走向長476.3 m,可采走向長380 m,傾斜寬為168 m(平)。煤層走向135° ~155°,傾向45° ~65°,傾角15°~25°。煤層厚度8.1~12.2 m,平均厚度為10.0 m。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

        表1 煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

        2 深埋軟巖巷道破壞機理

        2.1 深埋軟巖巷道變形主要因素

        埋深較大是深埋軟巖巷道較易發(fā)生變形破壞的影響因素之一。Ⅱ836 工作面埋深500.3~613.3 m,屬于深埋巷道,巷道受上覆巖層重力、側(cè)向應(yīng)力的影響較大,使得巷道更易發(fā)生較大變形而失穩(wěn)破壞。巷道直接頂(粉砂巖)和直接底(泥巖)的抗壓強度較低,符合軟巖特征,其自身強度低,導(dǎo)致巷道在垂直方向產(chǎn)生較大的形變,從而大大增加了巷道變形破壞程度。

        2.2 深埋軟巖巷道破壞特征

        深埋軟巖巷道由于其埋深較大,圍巖強度低,支護難度較大,其巷道破壞具有以下特征:

        (1)深埋軟巖巷道能夠接受的應(yīng)力上限較低,但由于埋深過大,在高地應(yīng)力下,巷道出現(xiàn)了變形速率較快和變形量大的特征。通常當(dāng)深埋軟巖巷道被挖掘出后要及時對其進行支護,避免出現(xiàn)兩幫收斂、頂板下沉、底鼓等問題。

        (2)軟巖巷道底部出現(xiàn)底鼓時表明其圍巖遭到了破壞,在巷道掘進過程中,因為軟巖承壓能力低,巷道在垂直方向上變化較大,容易出現(xiàn)底鼓。

        3 巷道支護設(shè)計

        3.1 巷道斷面設(shè)計

        3.1.1 按工作面進風(fēng)量計算

        (1)工作面風(fēng)量計

        按瓦斯涌出量計算:

        以Ⅱ836 工作面為基礎(chǔ),在測量瓦斯涌出量時,通過方程式計算得出瓦斯涌出量為q=5.6 m3/min,在此基礎(chǔ)上的瓦斯涌出出現(xiàn)了不均衡,其系數(shù)值為K=1.6,則:

        按溫度計算:

        工作面預(yù)計溫度為24°,風(fēng)速應(yīng)為1.6 m/s,則:

        以S為工作面的平均斷面積進行分析時,其最大(Smax)和最?。⊿min)分別為9.5 m2和 6.5 m2。

        按人數(shù)計算:

        其中,N為工作面同時工作最多人數(shù),取40 人。

        根據(jù)上述計算,初選風(fēng)量為Q=1200 m3/min。

        風(fēng)速驗算:

        依據(jù)以上計算,確定Q=1200 m3/min。

        (2)確定工作面巷道斷面積

        按經(jīng)濟風(fēng)速3.0 m/s 計算:

        由于需要考慮巷道收縮量為10%,則巷道斷面不小于7.4 m2,就可以滿足通風(fēng)要求。

        3.1.2 根據(jù)設(shè)備運輸需要計

        Ⅱ836 工作面風(fēng)巷最大運輸設(shè)備為組裝后的綜放支架,外形尺寸為長×寬=6304 mm×1430 mm,考慮兩側(cè)安全間隙各500 mm,則巷道寬度為2430 mm。

        3.1.3 按巷道變形計算

        根據(jù)礦壓觀測,巷道收縮量為總長、寬的10%,風(fēng)巷斷面為寬×高=4.8 m×3.5 m,巷道寬度收縮量480 mm,高度收縮量350 mm。

        3.1.4 風(fēng)巷斷面確定

        根據(jù)以上計算、校核以及優(yōu)化處理,確定風(fēng)巷尺寸為寬×高=4.8 m ×3.5 m。

        3.2 巷道支護設(shè)計

        8 煤層傾角15°~25°,一般巷道的一幫生根在巖石中,用以提高巷幫的穩(wěn)定性。同時,8 煤層是極軟特厚煤層,普氏硬度僅0.3 左右,煤層可錨性差。通過支護工藝優(yōu)化比較,決定采用36U 三心拱U 型棚支護配合鎖梁錨索、鎖腿錨索、注漿錨索支護。

        3.3 巷道支護設(shè)計參數(shù)

        風(fēng)巷斷面為凈寬×凈高=4800 mm×3500 mm,風(fēng)巷采用36U 三心拱U 型棚支護,棚距550 mm(中-中),支架間距誤差≤50 mm。在實際搭接時,可以通過兩副限位卡纜進行固定,用于固定的卡纜螺母選擇300 N·m 的扭矩。壁后固定時,可以選擇運用10#金屬網(wǎng),再通過300 mm 的鐵背板進行配合固定。在頂端敷設(shè)雙抗網(wǎng),用12#鐵絲隔扣鏈接。為了讓支護效果更好,通過采用22 mm×3100 mm 錨索鎖腿梁予以加固。在最上方利用兩道規(guī)格為Φ22 mm×8200 mm 錨索和一道規(guī)格為Φ25 mm×8000 mm 的注漿索來加固支護,注漿索排距為1100 mm。

        風(fēng)巷沿空側(cè)采用噴漿+注漿的加固方式,利用規(guī)格2500 mm 的自鉆式注漿錨桿,間排距1500 mm×1500 mm,噴厚100 mm 以上。巷道支護方案如圖1。

        圖1 Ⅱ836 風(fēng)巷支護斷面圖(mm)

        4 支護效果分析

        為了檢驗工作面巷道支護效果,在Ⅱ836 工作面風(fēng)巷內(nèi)布置2 個測站(1#測站和2#測站,兩測站之間的間距為50 m)。對巷道兩幫和頂?shù)装宓囊苿泳嚯x采用 “十字布點法”進行觀察與記錄。如圖2。

        圖2 十字布點法

        由圖3、圖4 可知,1#測站和2#測站所觀測到的巷道位移變化規(guī)律大致相同,都呈現(xiàn)出先快速增大隨后趨于穩(wěn)定的變化趨勢,在40 d 左右巷道兩幫及頂?shù)装遄冃嗡俾氏噍^于之前有所減少,巷道變形在60 d 左右達到穩(wěn)定狀態(tài)。其中,頂板變形量在140 mm 左右,兩幫收斂量在90 mm 左右,圍巖整體變形量較小,巷道支護效果良好,可以滿足巷道安全使用要求。

        圖3 1#測站巷道位移變形觀測結(jié)果

        圖4 2#測站巷道位移變形觀測結(jié)果

        5 結(jié)論

        (1)深埋軟巖巷道工作面支護困難,其主要原因是由于工作面埋深較大,垂直應(yīng)力高,軟巖巷道圍巖自身強度低。

        (2)采用36U 三心拱U 型棚支護配合鎖梁錨索、鎖腿錨索、注漿錨索支護,頂?shù)装遄冃瘟?40 mm左右,兩幫收斂量90 mm左右,巷道變形量較小,可以滿足巷道安全使用要求。

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