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        孤島工作面超前應(yīng)力區(qū)圍巖控制技術(shù)

        2022-10-13 09:53:38李守堂
        山東煤炭科技 2022年9期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形

        李守堂

        (山西柳林興無煤礦有限責任公司,山西 呂梁 033300)

        煤礦孤島工作面在回采過程中應(yīng)力顯現(xiàn)是普遍存在的問題,主要表現(xiàn)在圍巖破碎、頂板下沉、底鼓等,其回采面臨著很大的困難。受集中應(yīng)力影響,孤島工作面回采期間超前應(yīng)力區(qū)巷道圍巖變形嚴重。研究發(fā)現(xiàn),孤島工作面回采時超前應(yīng)力區(qū)巷道變形量是掘進期間的10 倍左右,影響后期端頭設(shè)備和工作面回采速度。

        為了有效解決孤島工作面回采時圍巖大變形等技術(shù)難題,專家學者進行了大量研究并探討了相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)。張科學等人[1]分析了孤島工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性機理,并提出了“錨桿+U 型鋼”聯(lián)合支護;田華鋒[2]對孤島工作面圍巖結(jié)構(gòu)進行分析,并提出了“錨桿(索)+金屬網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護技術(shù)。本文以興無煤礦H4201 孤島工作面為研究對象,根據(jù)該工作面地質(zhì)現(xiàn)狀及回采情況,提出了適用于興無煤礦孤島工作面應(yīng)力區(qū)圍巖控制技術(shù)[3-5],為其他工作面回采提供實踐依據(jù)。

        1 概述

        山西柳林興無煤礦有限責任公司H4201 工作面位于二采區(qū),開采煤層為山西組底部4 號煤層,距上部3 號煤層底板平均20 m,距下部5 號煤層頂平均為6.45 m。煤層厚度為3.1~3.9 m,平均為3.65 m。該煤層偶含一層夾矸,夾矸厚度為0.20~0.80 m,煤層單一,為結(jié)構(gòu)簡單,層位、厚度穩(wěn)定的大部分可采煤層。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖,底板為砂巖或碳質(zhì)泥巖,頂?shù)装鍘r性見表1。本井田構(gòu)造簡單,總體上地層為走向北西—南東、傾向南西的緩傾斜的單斜構(gòu)造,傾角為3°~8°,一般為5°~6°。

        表1 H4201 工作面4#煤層頂?shù)装鍘r性表

        H4201 綜采工作面長度76 m,工作面東南部為4 號煤層42211、42212、42213 采空區(qū),西北部為4 號 煤 層42105、42104、42013、42102、42101 采空區(qū),西南部相鄰4 號煤層42106 采空區(qū),東北部相鄰+760 m 水平回風大巷、+760 m 水平副大巷。H4201 綜采工作面為孤島工作面,采用“U”型通風方式,運輸、回風順槽平均長度為654 m,順槽為矩形斷面,寬度為4.5 m,高度為3.0 m。

        H4201 回風順槽屬于孤島工作面回采巷道,由于巷道前期在掘進過程中受采動影響巷道圍巖出現(xiàn)破碎現(xiàn)象,工作面在回采過程中受二次采動影響,回風順槽出現(xiàn)大變形現(xiàn)象,特別是在回采超前應(yīng)力區(qū)30 m 范圍內(nèi),圍巖變形量大,主要體現(xiàn)在頂板及兩幫變形嚴重,頂板下沉量達0.55 m,兩幫收斂量達0.62 m。

        2 超前應(yīng)力區(qū)聯(lián)合支護

        為了有效控制H4201 綜采工作面超前應(yīng)力區(qū)圍巖變形情況,決定對回風順槽距工作面30 m 范圍內(nèi)施工“讓壓恒阻錨索+π 型單體柱”聯(lián)合支護。

        2.1 讓壓恒阻錨索支護

        2.1.1 讓壓恒阻錨索支護原理

        傳統(tǒng)錨索支護時,錨索錨固后對錨索安裝承載件并進行預緊,預緊力通過錨索傳遞至錨固段穩(wěn)定巖體內(nèi),形成懸吊、應(yīng)力組合梁(拱)支護作用。但對于大變形圍巖中,當錨索有效支護區(qū)域內(nèi)的巖體出現(xiàn)離層時,對錨索產(chǎn)生拉伸作用,當拉伸長度大于錨索最大允許長度時,錨索出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

        讓壓恒阻錨索支護是指在錨索施加預應(yīng)力的預伸段安裝讓壓恒阻套件,在無應(yīng)力作用下讓壓錨索支護作用與普通錨索支護作用相同,當頂板來壓變形時,頂巖對讓壓恒阻套件加壓,讓壓件出現(xiàn)變形且變形量為圍巖下沉量,從而避免錨索破斷,同時保持錨索恒阻,起到有效的支護效果。

        2.1.2 讓壓恒阻錨索結(jié)構(gòu)

        讓壓恒阻錨索主要由讓壓器、恒阻錨索、鎖具、承載件等部分組成,如圖1 所示。讓壓器主要由劈裂塞和讓壓管兩部分組成。讓壓管采用高強度錳鋼制成,讓壓管采用圓柱狀,圓柱外徑為100 mm,長度為150 mm,中部為中空狀,中部孔直徑為70 mm。在讓壓管兩側(cè)對稱布置一個劈裂槽,劈裂槽深度為10 mm。劈裂塞為中孔圓臺環(huán)狀,中部孔直徑為25 mm,主要用于穿過恒阻錨索。劈裂塞底部為圓盤狀,直徑為80 mm,長度為100 mm。

        圖1 讓壓恒阻錨索結(jié)構(gòu)示意圖

        恒阻錨索采用長度為6.0 m、直徑為21.8 mm的9 股鋼絞線制成,錨索最大破斷力為455 kN,延展率為15%,恒阻錨索采用端頭錨固方式,鎖具采用三芯片套筒式鎖具,承載件采用規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm 的蝶形托盤。

        2.1.3 施工工藝

        (1)首先在H4201 綜采工作面回風順槽應(yīng)力區(qū)頂板施工錨索鉆孔,每排布置兩個,鉆孔布置間距為2.5 m,排距為2.0 m,鉆孔垂直頂板布置,鉆孔深度為6.0 m,直徑為28 mm。

        (2)支護孔施工完后,對鉆孔內(nèi)安裝一支MSK23/35 型和兩支MSK23/60 型錨固劑,然后安裝恒阻錨索、攪拌套并采用鉆機進行攪拌錨固。

        (3)恒阻錨索錨固后,在其外露端依次安裝蝶形托盤、讓壓器、鎖具,并采用張拉機具對其預緊,預緊力不得低于370 kN。

        (4)讓壓錨索支護后,當頂板受應(yīng)力影響出現(xiàn)下沉時,鎖具將拉力傳遞至劈裂塞,劈裂塞在外力作用下穿進讓壓管內(nèi),讓壓管在劈裂塞作用下沿劈裂槽破裂。此時外界拉力轉(zhuǎn)換為錨索工作阻力,實現(xiàn)恒阻支護作用。

        2.2 π 型單體柱支護

        H4201 綜采工作面回采前期,順槽超前區(qū)主要采用單體柱進行維護,每排布置4 根,單體柱布置間排距為1.0 m,頂梁長度為0.5 m。通過實際應(yīng)用效果來看,原單體柱布置密集,不利于端頭設(shè)備移動,且單體柱頂梁支護端承載能力差,多數(shù)單體柱出現(xiàn)變形現(xiàn)象,支柱回收難度大。對此,對原單體柱支護方式進行優(yōu)化,改用“一梁兩柱”支護方式。

        選用單體柱型號為DZ35-320/100,單體柱最大工作阻力為320 kN,采用π 型頂梁長度為4.2 m,頂梁兩端各支設(shè)一根液壓單體柱,單體柱布置排距為1.0 m。為防止在應(yīng)力作用下單體柱出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,在單體柱底端安裝柱靴,相鄰兩排單體柱安裝防倒拉桿裝置,單體柱支設(shè)時初撐力不得低于280 kN。

        3 實際應(yīng)用效果分析

        H4201 回風順槽超前應(yīng)力區(qū)頂板采取“讓壓恒阻錨索+π 型單體柱”聯(lián)合支護后,對巷道頂板及兩幫變形情況進行監(jiān)測。監(jiān)測發(fā)現(xiàn),在工作面超前應(yīng)力區(qū)10 m 范圍回風順槽受應(yīng)力影響最大,實測頂板最大下沉量達0.28 m,兩幫收斂量達0.37 m;在10~20 m 范圍內(nèi)頂板最大下沉量為0.21 m,兩幫最大收斂量為0.33 m;在20~30 m 范圍內(nèi)圍巖變形量較小,頂板最大下沉總量為0.14 m,兩幫最大收斂量為0.25 m;30 m 后頂板下沉量穩(wěn)定在0.1 m,兩幫收斂量穩(wěn)定在0.17 m,如圖2 所示。但是頂板及兩幫未出現(xiàn)破碎、垮落等現(xiàn)象,不影響后期端頭設(shè)備移動,圍巖變形量在允許范圍內(nèi)。

        圖2 聯(lián)合支護后H4201 回風順槽超前應(yīng)力區(qū)頂板及兩幫變形曲線圖

        4 結(jié)語

        興無煤礦通過對H4201 孤島工作面超前應(yīng)力區(qū)圍巖采取聯(lián)合控制技術(shù)后,控制了應(yīng)力區(qū)圍巖大變形現(xiàn)象,保證了工作面后期安全順利回采,避免了應(yīng)力區(qū)圍巖受應(yīng)力作用出現(xiàn)破碎、垮落現(xiàn)象,取得了顯著應(yīng)用成效。

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