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        孤島工作面兩巷控制技術(shù)探究

        2023-08-08 10:22:04和英杰
        煤炭與化工 2023年6期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        和英杰

        (山西蘭花百盛煤業(yè),山西 晉城 048400)

        隨著開(kāi)采深度的不斷增加,在回采孤島工作面時(shí),會(huì)造成兩巷沿空掘進(jìn),巷道壓力較大,對(duì)巷道的維護(hù)成為孤島煤柱工作面治理的重點(diǎn)[1-4]。由于地質(zhì)構(gòu)造引起的地應(yīng)力本身較為復(fù)雜,在孤島工作面頂板結(jié)構(gòu)特征的影響下,應(yīng)力集中程度會(huì)進(jìn)一步增加,為回采巷道采掘期間的穩(wěn)定控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)[5-7]。兩回采巷道易陷入修復(fù)后再次變形的窘態(tài),若再經(jīng)受采動(dòng)影響,則易發(fā)生冒頂?shù)劝踩鹿蔥8]。

        1 概 況

        唐安煤礦屬于高瓦斯礦井,主采3 號(hào)煤,該煤層無(wú)沖擊地壓危險(xiǎn),煤塵無(wú)爆炸性。3405 工作面東部和西部分別為3407、3403 綜放面采空區(qū),南部緊鄰采區(qū)專用回風(fēng)大巷,北部為實(shí)體煤柱。該工作面設(shè)計(jì)順槽長(zhǎng)1 410 m,切眼175 m[2]。原設(shè)計(jì)進(jìn)、回風(fēng)順槽均沿煤層底板布置,矩形巷道,凈高2.7 m,凈寬4.0 m,切眼沿煤層底板布置,凈高2.7 m,凈寬6.5 m(切眼兩口處部分凈寬7 m)。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤工藝,全部垮落法管理采空區(qū)[3]。

        唐安煤礦3407 工作面上下順槽受周邊采空區(qū)壓力影響,圍巖變形嚴(yán)重,突出表現(xiàn)為掘進(jìn)時(shí)巷道變形較快,在巷道掘進(jìn)后20 d 左右,巷道的底板鼓起量在600~900 mm,兩幫移進(jìn)量達(dá)400~600 mm,導(dǎo)致前頭掘進(jìn),后路安排專人整修。在工作面回采時(shí),上下端頭超前支護(hù)20 m 范圍內(nèi),頂?shù)准皟蓭褪諗慨惓?yán)重,局部斷面不足原設(shè)計(jì)巷道斷面的2/3。膠帶順槽設(shè)備較多,受巷道變形影響大,工作面推進(jìn)困難,且回采工作面上下端頭20 m 的超前支護(hù)無(wú)法保證回采的安全需要。為回采的順利進(jìn)行,每班需要安排專人進(jìn)行臥底擴(kuò)幫,嚴(yán)重制約著回采速度。

        在3405 工作面設(shè)計(jì)時(shí)采用了增大巷道斷面,加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度的方式,控制了孤島工作面兩巷收斂變形嚴(yán)重的難題,解決了生產(chǎn)中的困難。

        2 巷道設(shè)計(jì)方案

        2.1 原設(shè)計(jì)方案

        原巷道設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),如圖1 所示。巷道斷面規(guī)格為凈寬×凈高=4.0 m×2.7 m。頂錨桿采用MSGLW-335/20Ⅱ(無(wú)縱肋螺紋鋼式)高強(qiáng)度錨桿,直徑20 mm,長(zhǎng)2.4 m,錨桿間排距分別為850 mm、800 mm,錨桿垂直煤壁打設(shè),頂角錨桿與煤壁成75°打設(shè)。頂錨桿配合梯子梁使用,選用長(zhǎng)×寬×厚=3 800 mm×100 mm×16 mm的梯子梁,并沿垂直巷道方向布置,配合長(zhǎng)×寬×厚=140 mm×120 mm×8 mm 的U36 鋼托板,孔徑為23 mm(±1 mm)。頂錨桿采用端頭錨固,采用1 卷K2335 錨固劑和2 卷Z2335 樹(shù)脂錨固劑,為了快速安裝,錨固劑可選取先快速再中速安裝,錨固力≥130 kN,螺母扭矩不低于200 N·m。

        圖1 原巷道支護(hù)斷面示意Fig.1 Original support section of roadway

        巷道設(shè)計(jì)垂巷打設(shè)3 趟錨索,根據(jù)巖層情況,將頂板錨索固定到老頂內(nèi)1.5 m 以上計(jì)算,錨索選取直徑為21.8 mm 的高強(qiáng)度低松馳鋼絞線,破斷載荷為583 kN,設(shè)計(jì)錨固力為560 kN,間排距均為1.4 m。錨索配備16#b 型槽鋼配合U36 鋼托板使用,槽鋼規(guī)格為3 200 mm×160 mm×8.5 mm,托板規(guī)格140 mm×120 mm×10 mm。槽鋼垂直巷道掘進(jìn)方向布置。每根錨索采用K2335 和Z2335 樹(shù)脂錨固劑各2 卷進(jìn)行端頭錨固,錨索預(yù)緊力≥200 kN。

        巷道兩幫采用錨桿配合梯子梁封幫,幫錨桿采用直徑18 mm,長(zhǎng)2.2 m 的等強(qiáng)錨桿,配長(zhǎng)×寬×厚=140 mm×120 mm×8 mm 的U36 鋼托板,孔徑為21 mm(±1 mm)。錨桿間排距為800 mm,錨固力≥64 kN,螺母扭矩不低于130 N·m。

        護(hù)表材料選取φ6 mm 鋼筋網(wǎng)裱褙。

        2.2 優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案

        由于該工作面為孤島工作面,上下兩巷緊鄰采空區(qū)導(dǎo)致煤柱應(yīng)力集中,在掘進(jìn)及回采期間受采空區(qū)應(yīng)力傳遞影響,巷道變形嚴(yán)重。為控制巷道變形,降低巷道返修率,需適當(dāng)增大巷道斷面,同時(shí)提高巷道圍巖的支護(hù)強(qiáng)度。因此巷道斷面規(guī)格設(shè)計(jì)為凈寬4.5 m×凈高3.5 m,優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面如圖2 所示。

        圖2 優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面示意Fig.2 Optimized support section of roadway

        (1) 頂錨桿選取直徑20 mm,長(zhǎng)2.4 m 的MSGLW-335/20Ⅱ高強(qiáng)度錨桿,配合梯形梁使用,間距850 mm,排距1 000 mm;梯形梁沿垂直巷道方向布置,規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=4 600 mm×80 mm×16 mm。

        (2) 頂錨索直徑為21.8m m,長(zhǎng)7.5 m 鋼絞線,配合規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=4 000 mm×160 mm×8.5 mm 的16#b 槽鋼使用,槽鋼垂直頂板打設(shè),每排打設(shè)5 根錨索,配合使用長(zhǎng)×寬×厚=120 mm×120 mm×16 mm 的鐵托盤。

        (3) 兩幫支護(hù)。兩幫采用錨桿配合梯形梁封幫,幫錨桿采用直徑20 mm,長(zhǎng)2.4 m 的高強(qiáng)錨桿,間距800 mm,排距800 mm,梯形梁垂直巷道布置,規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=2 800 mm×80 mm×14 mm,配長(zhǎng)×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm 的鋼托盤。底根錨桿可滯后10 m,使用1 m 長(zhǎng)梯形梁接梁垂直巷道方向打設(shè),并根據(jù)底板高度適當(dāng)調(diào)整梯形梁規(guī)格。

        為控制巷道兩幫收斂變形,減少采空區(qū)應(yīng)力對(duì)巷道變形的影響,在巷道兩幫打設(shè)幫錨索,幫錨索采用直徑17.8 mm,長(zhǎng)4.0 m 的鋼絞線,選用2 卷K2335 樹(shù)脂錨固劑和2 卷Z2335 樹(shù)脂錨固劑配合錨固,為方便快速安裝,先安裝K2335 錨固劑,再安裝Z2335 錨固劑。

        ①上幫錨索距頂1 700 mm,錨桿錨索交替打設(shè),即每隔一排幫錨桿打設(shè)一根幫錨索,錨索排距1 800 mm,打設(shè)在第三根錨桿位置代替幫錨桿。

        ②下幫錨索打設(shè)間距900 mm,排距1 600 mm,并呈邁步式打設(shè)。第一排錨索距頂1 400 mm,在兩排錨桿之間補(bǔ)充打設(shè),配合梯形梁使用,梯形梁規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=2 000 mm×160 mm×8.5 mm,并可根據(jù)煤層傾角和巷道高度適當(dāng)調(diào)整。

        (4) 護(hù)表材料采用鋼筋網(wǎng)+雙抗塑料網(wǎng)聯(lián)合裱褙。

        3 方案比較

        巷道設(shè)計(jì)優(yōu)化后,巷道斷面變大,并允許一定范圍內(nèi)的變形,巷道頂幫均增加了支護(hù)強(qiáng)度。

        3.1 錨桿受力情況觀測(cè)

        通過(guò)安裝錨桿壓力表,對(duì)巷道頂幫錨桿受力情況進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)并統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3 所示。數(shù)據(jù)表明,巷道打設(shè)錨桿后,錨桿受力情況隨時(shí)間遞增,并在安裝20 d 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),頂板錨桿所受載荷最大值在100 kN 左右,幫部錨桿所受載荷最大值為85 kN。

        圖3 錨桿所受載荷與時(shí)間變化曲線Fig.3 The change curve of bolt load and time

        3.2 巷道變形情況觀測(cè)

        巷道掘進(jìn)后及時(shí)布置圍巖觀測(cè)站,采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道變形情況連續(xù)觀測(cè),巷道兩幫及頂?shù)装鍑鷰r收斂變形情況如圖4 所示。

        圖4 巷道收斂變形曲線Fig.4 Convergence deformation curve of roadway

        巷道在掘后初期的前20 d 內(nèi),巷道圍巖變形最快,兩幫移近量可達(dá)28 mm/d,頂?shù)装逡平靠蛇_(dá)20 mm/d,隨后兩幫和頂?shù)鬃冃瘟恐鸩阶冃。?0 d 后趨于穩(wěn)定。巷道圍巖收斂變形穩(wěn)定后頂?shù)装逑鄬?duì)位移為160 mm 左右,兩幫相對(duì)位移為180 mm左右,巷道變形量均控制在允許范圍內(nèi),現(xiàn)場(chǎng)未見(jiàn)明顯底鼓現(xiàn)象,結(jié)果表明巷道維護(hù)效果較好,優(yōu)化巷道斷面及支護(hù)方案后圍巖變形得到了有效控制。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        唐安煤礦3405 孤島工作面兩巷為沿空掘巷,受兩側(cè)采空區(qū)應(yīng)力傳遞影響,巷道布置位置屬于應(yīng)力增高區(qū),表現(xiàn)為巷道圍巖應(yīng)力集中,巷道所承受壓力較大,為保證巷道掘進(jìn)及回采期間的斷面要求,通過(guò)優(yōu)化巷道斷面設(shè)計(jì),增加兩巷支護(hù)強(qiáng)度,可有效控制巷道圍巖變形。具體做法為巷道支護(hù)面積由4.0 m×2.7 m 增大至4.5 m×3.5 m,支護(hù)強(qiáng)度由原設(shè)計(jì)的幫部等強(qiáng)錨桿優(yōu)化為高強(qiáng)錨桿,為了控制兩幫收斂,增加幫錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù);頂板錨索由原設(shè)計(jì)3 根增加至5 根。礦壓觀測(cè)結(jié)果表明巷道變形由原來(lái)的掘后20 d 左右巷道底鼓達(dá)500~800 mm,兩幫收斂近300~500 mm;控制到頂?shù)滓七M(jìn)量最大160 mm,兩幫收斂量最大180 mm,巷道圍巖變形量得到了有效控制,滿足了巷道采掘期間的生產(chǎn)需要,為同地區(qū)相似條件的孤島工作面巷道變形控制提供了實(shí)踐參考。

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