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        復(fù)合頂板破碎機(jī)理及支護(hù)技術(shù)

        2022-09-25 03:57:06李溪枝
        機(jī)械管理開發(fā) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:梯形錨索錨桿

        李溪枝

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)忻州有限公司,山西 忻州 034000)

        1 王家?guī)X煤礦18104 運(yùn)輸順槽概況

        晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王家?guī)X煤礦18104 運(yùn)輸順槽位于井田一采區(qū),巷道北部為石塘村、石塘河保護(hù)煤柱及設(shè)計(jì)的開拓運(yùn)輸巷,南部73 m 為井田邊界,西部為18106 回采工作面,東部為18102 工作面采空區(qū)。

        18104 運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長度為1 616 m,巷道為矩形斷面,寬×高=4.5 m×3.7 m,巷道掘進(jìn)煤層為4 號煤層,煤層平均厚度為6.15 m,平均傾角為5.5°,煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

        表1 18104 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)的4 號煤層頂?shù)装鍘r性

        18104 運(yùn)輸順槽采用EBZ 型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn),巷道平均單進(jìn)水平為7.0 m/d,截止目前巷道已掘進(jìn)485 m,巷道掘進(jìn)至480 m 處時巷道頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象,巷道頂板錨桿出現(xiàn)局部失效現(xiàn)象。通過現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn),巷道掘進(jìn)至492 m 處時預(yù)計(jì)揭露一條F5 正斷層,斷層落差為1.8 m,傾角為52°,受構(gòu)造應(yīng)力影響,巷道圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,圍巖破碎嚴(yán)重,增加了巷道支護(hù)難度,同時巷道掘進(jìn)效率降低至3.8 m/d,嚴(yán)重制約著巷道安全、快速掘進(jìn)。

        2 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)及問題分析

        2.1 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

        1)頂錨桿支護(hù):每排采用5 根錨桿支護(hù),排距1 000 mm;頂錨桿規(guī)格為Φ22 mm、L=2 500 mm,托板規(guī)格為260 mm×150 mm×10 mm,頂錨桿采用兩支樹脂藥,一支MSK23/35、另一支MSZ23/60,上部為快速、下中部為中速,錨固長度不少于0.95 m。

        2)幫錨桿支護(hù):每排采用3 根支護(hù),排距3 000 mm、間距1 000 mm;錨桿規(guī)格為Φ20 mm、L=2 000 mm,托板規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm,幫錨桿采用一支MSZ23/60 樹脂藥錨固,錨固長度不少于0.6 m。

        3)頂錨索:頂板錨索采用長度為6.3 m、直徑為17.8 mm 預(yù)應(yīng)力錨索,每排布置3 根,錨索布置間距為1.8 m、排距為2.0 m,錨索外露端安裝長度及寬度均為0.3 m 預(yù)應(yīng)力托盤。

        2.2 支護(hù)問題分析

        1)圍巖承載能力低:5311 巷掘進(jìn)的是3 號與5號合并煤層,煤層整體穩(wěn)定性差,屬于復(fù)合型煤層,煤層內(nèi)含多層夾矸,巷道掘進(jìn)過程中受構(gòu)造應(yīng)力影響,復(fù)合煤層穩(wěn)定性差,頂板呈破碎裂隙狀,巖體內(nèi)無法形成連續(xù)穩(wěn)定承載梁結(jié)構(gòu),而原支護(hù)中錨桿(索)主要通過錨固作用固定在頂板上,若頂板破碎嚴(yán)重時,錨桿(索)錨固效果差、失效率高,錨桿(索)施加的預(yù)應(yīng)力無法連續(xù)穩(wěn)定地傳遞至穩(wěn)定巖體中,降低了支護(hù)效果。

        2)支護(hù)擾動影響:對于受外力影響小且穩(wěn)定巖體施工支護(hù)數(shù)量越多,圍巖穩(wěn)定性越好,但是對于應(yīng)力破碎區(qū)圍巖,由于應(yīng)力影響后圍巖出現(xiàn)破碎,若在該區(qū)域增加支護(hù)數(shù)量,不僅起不到有效的支護(hù)作用,反而受支護(hù)鉆孔擾動影響加劇了頂板破碎力度。

        3)支護(hù)強(qiáng)度低:原支護(hù)中雖然頂板布置了錨桿、錨索,但是錨桿(索)承載件截面小、承載強(qiáng)度低,在應(yīng)力作用下無法與頂板實(shí)現(xiàn)耦合支護(hù)作用,很容易出現(xiàn)變形、斷裂現(xiàn)象,降低了頂板支護(hù)強(qiáng)度。

        3 破碎頂板支護(hù)優(yōu)化

        3.1 原永久支護(hù)優(yōu)化

        1)頂錨索支護(hù)優(yōu)化:將原每排3 根單錨索替換為每排5 根,排距3.0 m;錨索直徑為Φ17.8 mm 及Φ21.8 mm,L=8 300 mm、10 300 mm,托板規(guī)格為220 mm×200 mm×12 mm,頂錨索采用3 支樹脂藥,一支MSK23/35、另兩支MSZ23/60,上部為快速、下中部為中速,錨固長度不少于1.55 m。

        2)肩角錨索:每排采用2 根支護(hù),排距3 000 mm;鋼絞線規(guī)格為Φ17.8 mm、L=4 300 mm,托板采用600 mm 短節(jié)11 號工字鋼,錨索采用3 支樹脂藥,一支MSK23/35、另兩支MSZ23/60,上部為快速、下中部為中速,錨固長度不少于1.5 m。

        3.2 注漿加固

        3.2.1 注漿原理

        通過對破碎圍巖施工注漿鉆孔,然后對鉆孔內(nèi)高壓注入馬麗散、聚氨酯及雷特因等化學(xué)黏接劑,由于化學(xué)注漿材料具有較強(qiáng)的流動性,在高壓作用下化學(xué)材料能夠完全滲透至巖體裂隙內(nèi),一方面,巖體注漿液完全充填裂隙后排擠出裂隙內(nèi)空氣,從而減少裂隙帶氧化作用;另一方面,注漿液凝固后可形成具有一定黏接性、柔性的凝固體,可對破碎巖體二次重組,提高破碎圍巖整體穩(wěn)定性[1-2]。

        3.2.2 注漿工藝

        1)注漿鉆孔布置在巷道迎頭煤壁上,每排布置3 個鉆孔,鉆孔間距為2.0 m(鉆孔編號為1 號、2 號、3 號),鉆孔距頂板距離為1.5 m,鉆孔直徑為45 mm,鉆孔深度為5.0 m,鉆孔布置仰角為45°,其中1 號、2 號為幫孔,與巷幫夾角為30°,3 號為中部孔。

        2)注漿鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)安裝注漿軟管,注漿軟管直徑為30 mm,注漿軟管安裝后對孔口處采用膨脹水泥進(jìn)行封孔,然后將注漿軟管外露端分別與注漿設(shè)備連接,連接順序?yàn)樽{軟管→雙向接頭→壓力表→控制閥→混合器→注漿泵→注漿桶,如圖1 所示。

        圖1 注漿施工設(shè)備連接示意圖

        3)巷道注漿完成2 h 后方可繼續(xù)掘進(jìn),巷道每掘進(jìn)5.0 m 進(jìn)行一次注漿施工,直至巷道完全過破碎帶,若注漿后局部區(qū)域注漿不到位出現(xiàn)破碎、冒漏時,需增補(bǔ)注漿孔進(jìn)行注漿加固。

        3.3 柔性梯形梁吊棚施工

        為了防止頂板應(yīng)力增大,導(dǎo)致頂板錨桿(索)支護(hù)失效,決定對應(yīng)力區(qū)頂板施工柔性梯形梁吊棚[3-5]。

        1)柔性梯形梁吊棚主要由梯形梁、恒阻錨索等部分組成,梯形梁由5 根長度為4.5 m、直徑為20 mm 圓鋼焊制而成,梯形梁寬度為0.5 m,梯形梁采用4 組夾板固定,梯形梁中部及兩端各焊制一塊長度為0.5 m、寬度為0.3 m 鋼板,鋼板中部焊制一個直徑為30 mm錨索支護(hù)孔,鋼板布置間距為1.8 m,恒阻錨索長度為8.3 m、直徑為21.8 mm。

        2)梯形梁棚施工在相鄰兩排錨桿之間的頂板上,首先在頂板施工3 個深度為8.0 m、直徑為28 mm 錨索支護(hù)孔,支護(hù)孔垂直頂板布置,支護(hù)孔布置間距為1.8 m、排距為2.0 m,如圖2 所示。

        圖2 18104 運(yùn)輸順槽應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)平面示意圖(單位:mm)

        4 結(jié)語

        截至2021 年11 月21 日18104 運(yùn)輸順槽已掘進(jìn)550 m,巷道已過斷層應(yīng)力區(qū),圍巖趨于穩(wěn)定,機(jī)掘二隊(duì)通過對應(yīng)力區(qū)頂板采取注漿加固及梯形梁吊棚后,巷道在后期掘進(jìn)過程中,頂板破碎、垮落現(xiàn)象得到了有效控制,復(fù)合頂板穩(wěn)定性大大提高,降低了頂板下沉現(xiàn)象,現(xiàn)場實(shí)測頂板下沉量控制在0.13 m 以下,錨桿失效率降低至2%,巷道掘進(jìn)速度提高至6.2 m/d,取得了顯著應(yīng)用成效。

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