白云虎,謝 濤,劉濤濤,張 毅,田夢(mèng)琪

(1.榆陽(yáng)中能袁大灘礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

在礦井產(chǎn)能快速釋放過(guò)程中,圍巖應(yīng)力的釋放轉(zhuǎn)移加劇,造成巷道支護(hù)參數(shù)需要不同程度的修正。隨著冒落拱內(nèi)巖石重量的普氏壓力拱假說(shuō)、考慮極限平衡拱的太基公式、極限平衡圍巖支護(hù)的卡斯特納計(jì)算公式的發(fā)展,支護(hù)方式得到不斷的優(yōu)化[1-2]。根據(jù)圍巖的自穩(wěn)特點(diǎn),逐步得出了懸吊理論、組合梁理論、巖松動(dòng)圈理論等,助力了巷道支護(hù)參數(shù)的修正[3-5]。近年來(lái),康紅普[6]闡述了我國(guó)煤礦巷道支護(hù)與加固方法主要有4種形式,對(duì)巷道未來(lái)的發(fā)展提出了新的展望。黃慶享等[7]根據(jù)圍巖變形破壞的自穩(wěn)平衡現(xiàn)象,提出了“治頂先治幫,治幫先治底”的巷道支護(hù)理念。王軍平[8]在分析復(fù)雜地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)上,提出支護(hù)主體高度與穩(wěn)定度的調(diào)整、掘進(jìn)支護(hù)角度的變動(dòng)性設(shè)計(jì)和掘進(jìn)支護(hù)設(shè)備資源的協(xié)同性。馬振虎[9]認(rèn)為孤島工作面采用錨、索、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)最優(yōu)支護(hù)參數(shù)的方案能夠使回采巷道圍巖變形得到有效控制。劉海東等[10]針對(duì)巷道頂板鏤空、離層及下沉等問(wèn)題,采用“錨護(hù)噴注”一體化支護(hù)技術(shù),可以減小巷道塑性區(qū)范圍和變形量。也有部分學(xué)者對(duì)錨桿錨索的受力情況,采用不同方法進(jìn)行了相關(guān)監(jiān)測(cè)[11-12]。

為此,結(jié)合袁大灘煤礦超長(zhǎng)距離薄煤層的特點(diǎn),通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐進(jìn)行超長(zhǎng)距離薄煤層工作面巷道加強(qiáng)支護(hù),以期為實(shí)現(xiàn)礦井高效安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 工程背景

1.1 工作面概況

袁大灘煤礦11203工作面運(yùn)輸順槽,位于2號(hào)煤層112盤(pán)區(qū)位西北部,工作面切眼長(zhǎng)為300.15 m,推采長(zhǎng)度5 238.38 m。東側(cè)為11201回風(fēng)順槽,南側(cè)為輔運(yùn)大巷,西側(cè)為11203回風(fēng)順槽,北部為小紀(jì)汗井田。

工作面采用雙巷布置,即一條回風(fēng)順槽,一條運(yùn)輸順槽,順槽垂直于112盤(pán)區(qū)大巷沿煤層底板布置,方位0°,由北往南進(jìn)行推采。11203運(yùn)輸順槽對(duì)應(yīng)地表位于中央進(jìn)、回風(fēng)立井工業(yè)廣場(chǎng)北部。工作面平均每天推進(jìn)10刀,每刀截深0.8 m,平均每天推采8 m。工作面范圍內(nèi),總體構(gòu)造形態(tài)為一向北西西緩傾的單斜層,平均傾角小于1°,構(gòu)造對(duì)巷道掘進(jìn)影響較小。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,工作面內(nèi)無(wú)較大斷裂和褶皺,亦無(wú)巖漿活動(dòng)痕跡,僅局部發(fā)育寬緩的波狀起伏。對(duì)比鄰近巷道實(shí)際揭露情況,掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)較大地質(zhì)構(gòu)造,但掘進(jìn)過(guò)程中可能揭露裂隙等細(xì)微地質(zhì)構(gòu)造。

工作面頂板主要含水層為侏羅系直羅組砂巖裂隙承壓含水層。巖性以中細(xì)粒砂巖為主,一般厚9.90～96.30 m,平均厚54.41 m。該含水層及煤層富水為工作面主要充水水源。隔水層主要為延安組2號(hào)煤層頂板以上至直羅組底界所組成的相對(duì)隔水層。平均厚度15.25 m,巖性為細(xì)-粉細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖,隔水性能稍差。

1.2 巷道現(xiàn)支護(hù)參數(shù)及問(wèn)題

11203運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)為矩形斷面,施工5 245 m×5.5 m×2.95 m(長(zhǎng)×寬×高),S掘=16.23 m2;凈寬5.4 m,凈高2.75 m,S凈=14.85 m2。巷道頂板采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù),兩幫采用玻璃鋼錨桿+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巷道支護(hù)參數(shù)

頂網(wǎng)、右?guī)徒饘倬W(wǎng)分別選用φ6.5 mm鋼筋焊接的金屬網(wǎng),金屬網(wǎng)規(guī)格分別使用5 400 mm×1 200 mm和2 400 mm×1 200 mm,網(wǎng)目100 mm×100 mm;左幫采用塑料網(wǎng),規(guī)格為1 200 mm×2 400 mm,網(wǎng)格為40 mm×40 mm。原巷道支護(hù)剖面如圖1所示。

圖1 原始支護(hù)剖面

11203工作面采動(dòng)作用,在超前支承應(yīng)力作用下導(dǎo)致端頭區(qū)域巷幫片幫、頂板下沉極為嚴(yán)重,嚴(yán)重影響正常采煤工作,如圖2所示。在超前30 m以外巷道頂板處于穩(wěn)定平衡失穩(wěn)狀態(tài),當(dāng)進(jìn)入超前30 m范圍時(shí),頂板下沉量大,最大約達(dá)到1 m。巷道支承壓力范圍內(nèi)采空側(cè)巷道片幫現(xiàn)象嚴(yán)重。錨桿、錨索的錨固效能太低,索密度不能滿(mǎn)足極限自穩(wěn)隱形拱內(nèi)巖體懸吊平衡的基本條件,無(wú)法滿(mǎn)足支護(hù)后的巷道自穩(wěn)性。

圖2 工作面巷道變形情況

2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則

2.1 設(shè)計(jì)原則

通過(guò)測(cè)定,11203工作面超前支承應(yīng)力影響范圍約200 m,應(yīng)力峰值(塑性區(qū))在超前30 m左右,彈性區(qū)范圍約170 m左右。工作面超長(zhǎng)距離下,其支承應(yīng)力擾動(dòng)范圍更大。

在錨索與錨桿共同作用的體系中,還要充分考慮二者之間的巨大的伸長(zhǎng)率差,且根據(jù)地應(yīng)力和支護(hù)設(shè)計(jì),應(yīng)該在布置上考慮到錨桿與錨索的位置關(guān)系。錨桿支護(hù)是以錨桿抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于圍巖體抗壓強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)來(lái)克服巖體內(nèi)應(yīng)力分布過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力。因此錨桿應(yīng)采用盡可能高的預(yù)應(yīng)力、盡可能大的延伸率,進(jìn)行全長(zhǎng)兩次錨固,錨索長(zhǎng)度應(yīng)按照自穩(wěn)隱形拱中極限自穩(wěn)特征確定。

2.2 圍巖破壞范圍確定

極限自穩(wěn)平衡拱平衡方程見(jiàn)式(1)。

(1)

極限自穩(wěn)平衡的最大高度見(jiàn)式(2)。

(2)

式中,W0為巷道原始寬度,m;σt為抗拉強(qiáng)度,MPa;L為片幫深度,m;p0為原巖應(yīng)力,MPa。

根據(jù)“自穩(wěn)隱形拱”和“極限自穩(wěn)隱形拱”2種形態(tài),支護(hù)結(jié)構(gòu)體系概況如圖3所示。在極限自穩(wěn)隱形拱及自穩(wěn)隱形拱中,至少有1根錨索穿過(guò)極限自穩(wěn)隱形拱,至少有2根錨桿穿過(guò)自穩(wěn)隱形拱500 mm。通過(guò)計(jì)算,自穩(wěn)隱形拱、極限自穩(wěn)隱形拱最大高度分別為1.9 m和7.9 m。因此選用2.5 m的錨桿,8.3 m的錨索。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)體系概況

3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)采動(dòng)下支承應(yīng)力分布情況,工作面超前150 m巷道開(kāi)始變形,超前30 m范圍內(nèi)巷道變形劇烈。對(duì)于大變形部位需采用挑頂方法進(jìn)行隔斷礦壓傳遞。

后補(bǔ)錨索在原來(lái)錨索基礎(chǔ)上,巷道頂板保證每排有3個(gè)錨索錨固點(diǎn),且為注漿錨索;采用T140鋼帶把3根錨索連在一起。從三角區(qū)域向前一個(gè)礦壓周期范圍內(nèi)(20 m),需要每平方米1根8 300 mm長(zhǎng)度注漿錨索。(原來(lái)的錨索不能替代注漿錨索,但可以在原錨索的位置擴(kuò)大注漿錨索間距);幫部每排補(bǔ)足4根錨桿。

設(shè)計(jì)方案如圖4所示,巷道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)剖面如圖5所示。

圖4 設(shè)計(jì)方案

圖5 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)剖面圖

表2 超前支護(hù)參數(shù)匯總表

3.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)要點(diǎn)

圍巖穩(wěn)定性范圍是根據(jù)極限推斷法則的自穩(wěn)隱形拱理論,在臨空順槽動(dòng)壓影響下,必須按照錨索的極限控制原則設(shè)計(jì)。錨固系統(tǒng)按照“高大長(zhǎng)效能法則”。加固圍巖由于松動(dòng)離層等因素必須采用注漿錨固方式。施工當(dāng)中針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)遇到斷層破碎帶等地質(zhì)不良地段應(yīng)該增加錨固點(diǎn)密度和深度或架棚支護(hù)。11203運(yùn)順在頂板大面積下沉區(qū)域超前20 m范圍,必須全部采用注漿錨固方法——每排(走向1 m)必須有3根注漿錨索。在原來(lái)基礎(chǔ)上增加夠每排3個(gè)錨索錨固點(diǎn),可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況增加錨固點(diǎn),但不能減少。11205臨空側(cè)順槽后續(xù)掘進(jìn)頂板必須保證每排3根錨索,而且每?jī)膳胖虚g需要增加1根三聯(lián)鋼帶和注漿錨索。

4 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

距工作面超前100 m開(kāi)始,每隔20 m設(shè)置一個(gè)測(cè)站,共布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),連續(xù)監(jiān)測(cè)10天。利用巷道表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)可反演分析判定巷道圍巖的水平位移及垂直位移情況。10天后工作面累計(jì)推進(jìn)80 m,超前不同位置的變化情況如圖6所示。10天后的各監(jiān)測(cè)位置與工作面關(guān)系見(jiàn)表3。

圖6 超前不同位置圍巖位移變化情況

表3 各監(jiān)測(cè)位置與工作面關(guān)系

1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著采動(dòng)范圍影響,水平位移經(jīng)歷“增大—減小—增大”的變化,垂直位移經(jīng)歷“增大—減小”的變化過(guò)程,監(jiān)測(cè)結(jié)束后的位置在超前支承應(yīng)力塑性區(qū)范圍內(nèi),圍巖的活動(dòng)位移量相對(duì)較大,但都控制在45 mm內(nèi)。

2#～4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在彈性區(qū)范圍內(nèi),補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后的位置距工作面越遠(yuǎn),巷道圍巖的穩(wěn)定性越好。2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化較大,水平的移動(dòng)量維持在23 mm,垂直位移量由13.5 mm增加至22 mm。3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平與垂直位移分別增加了3 mm、10 mm。受開(kāi)采擾動(dòng)支承應(yīng)力減弱的影響,圍巖位移變化量在不斷減小。4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平與垂直位移趨于20 mm,并穩(wěn)定。由此表明巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后取得了良好的支護(hù)效果。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)存在極限自穩(wěn)隱形拱和通過(guò)自穩(wěn)隱形拱的理論確定出選用長(zhǎng)2.5 m的錨桿和長(zhǎng)8.3 m的錨索。

(2)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)在原支護(hù)的基礎(chǔ)上,巷道頂板保證每排有3個(gè)錨索錨固點(diǎn);采面?zhèn)群兔褐鶄?cè)分別采用玻璃鋼錨桿、金屬錨桿。

(3)通過(guò)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)工作面超前最大、最小位移量分別為45 mm和20 mm,巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后取得了良好的支護(hù)效果。