望峰崗礦井回采巷道聯合支護技術

何禮品

謝一礦望峰崗礦井位于淮南礦區謝李生產礦井的深部(開采標高-660 m～-1 200 m),采用綜采工藝進行回采,回采巷道斷面大、距離長。在此情況下,如何設計合理的支護形式,滿足巷道的快速掘進與支護,保證巷道的安全使用,避免重復返修,是每個工程技術人員急切解決的一個關鍵問題。為此,本文以5121(5)工作面回采巷道為例,針對回采巷道的賦存條件,分析巷道的支護特點,進而提出錨網、桁架錨索配鋼帶、槽鋼等聯合支護技術,以期為淮南礦區類似條件回采巷道的支護提供經驗借鑒。

1 回采巷道地質概況

5121(5)工作面位于51采區C15煤層,工作面標高為-700 m～-780 m,地面標高為+25 m～+28 m;北至-780 m中央石門,南至工廣煤柱線。工作面走向長1 300 m～1 400 m,平均1 350 m,傾斜長150 m～195 m,平均172.5 m。該塊段位于F12-15斷層和F12-11斷層之間,塊段內構造較簡單。煤層呈單斜構造,厚0.2 m～ 1.3 m,平均走向 148°,傾向 58°,傾角 21°。

5121(5)工作面機巷為斜梯形巷道,寬5.0 m,中高3 m,采用綜掘機施工。直接頂為泥巖,深灰色,細膩,均一,含植物化石,厚度為2.9 m～4.2 m。老頂為粉砂巖,灰白色,粉細結構,裂隙發育,厚度為2.0 m～3.0 m,平均 2.5 m。直接底為頁巖、炭質泥巖和C14煤,老底為砂頁巖,致密堅硬,但有滑面和裂隙。

2 支護特點分析

1)直接頂為泥巖,容易冒落、離層。回采巷道直接頂為泥巖,抗剪強度低,自穩能力差,應力超過自身的抗壓強度,易產生塑性變形,如節理、裂隙發育、弱面多時,極易冒落。直接頂泥巖層和老頂砂巖層間粘結力差,內摩擦角小,層間物理力學性能相差懸殊,層間聯系不緊密,摩擦力小,極易產生離層。頂板暴露后,如果不及時支護,或者支護密度不足,支護阻力不勻等,頂板層間巖石將很容易從節理、裂隙等弱面間相互滑動,導致支護失效,導致巖塊冒落;巖塊冒落后,周圍巖體在其一側失去約束,從而向自由方向運動,隨著暴露時間的延長,漏頂面積增大,繼而向巷幫深部發展,最后造成老頂的垮落,漏頂范圍進一步擴大,嚴重影響安全生產。2)老頂砂巖層含水,容易分解泥巖,銹蝕支護材料。當頂板有裂隙、構造或錨索孔通達砂巖層時,頂板淋水,造成直接頂泥巖遇水崩解,易冒落;同時頂板淋水還會使錨桿和錨索發生銹蝕,降低錨桿和錨索的承載力。3)典型的深井高應力“三軟”巷道。工作面煤巷最大埋深約810 m,屬深井半煤巖巷,而圍巖為煤泥巖互層,頂板為泥巖,底板為強度低的頁巖,所以該巷道為典型的三軟巷道(以下簡稱三軟巷道)。在高地應力作用下表現為強烈的兩幫移近和底臌,特別是下幫由于破底,其受力不均,以及各巖層間力學性質不一致,發生層間滑動,低幫側將會產生嚴重的底臌。4)大斷面斜梯形斷面,高幫側難維護。受煤層傾角影響,斜梯形斷面兩幫高差較大,相差約2 m,高幫側約4 m高,巷道的拐角處易剪切破壞,造成高幫的支護難度較大。而且,巷道斷面較大(15 m2),大斷面巷道支護難度較同條件同小斷面的支護難度大得多。

3 聯合支護技術

3.1 支護對策

1)高強度錨網索主動支護方式。錨網索聯合支護是近幾年應用較多的一種維護方法,它利用支護體的主動支護和加固圍巖,充分調動圍巖的自身承載作用,起到了一定的效果,國內外支護實踐和研究現狀也表明,隨采深加大,需要采用高強度錨網索主動支護方式。2)錨桿、錨索和錨索桁架復合支護技術及時強化頂板,防止頂板出現離層和冒落。單根錨索的作用主要表現為將下部錨桿支護形成的錨固承載結構整體懸吊于深部圍巖中,起強化支護作用,桁架錨索的錨固段將處于受壓狀態的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點和支護結構的基礎,利用巷道兩幫煤體上角的圍巖擠壓區,建立強化承載結構,形成向上的反力矩,平衡水平應力對頂板巖層的破壞作用,同時也預防頂板錨固結構失效時的突發垮冒,基于巷道上幫角錨固的錨索桁架系統可以滿足這個要求,錨固點應深入到強化承載拱內。3)施加高強的初始預緊力。由于該礦井屬高地應力、巖石易軟化,圍巖的承載力降低,造成支護難度較大,因此必須增大錨桿和錨索的初錨力,提高支護體的預應力,增加圍巖的承載強度,防止頂板圍巖松動、離層破壞[3]。4)在巷道四個拐角施工斜拉錨桿或錨索,切斷來自頂、底兩側的塑性滑移線,削弱拐彎處的擠壓應力,防止薄弱部位的破壞[4]。5)在頂板淋水、破碎帶區域,調整錨梁網支護參數,增加架棚支柱,加強頂板支護,必要時應采取注漿堵水措施。

3.2 支護方案

1)巷道頂板采用錨桿配M5型鋼帶、10號鐵絲網和桁架錨索聯合支護。錨桿規格為φ 22 mm×2 500 mm,間排距為800 mm×800 mm。頂板靠高幫側的第一根錨桿采用與頂板法向偏斜41°布置,相鄰的一根頂板錨桿采用與頂板法向偏斜21°布置,靠低幫側的一根頂板錨桿采用與頂板法向偏斜10°布置。桁架錨索規格為φ 17.8×8 000 mm(深入巖體長度為6 500 mm),每隔2排錨桿布置1套高預應力鋼絞線桁架系統,間排距為2 500 mm×1 600 mm;槽鋼長度為2 900 mm(孔中心距為2 500 mm),鋼絞線通過14號槽鋼兩端孔錨入頂板,其靠低幫側仰傾角為45°,高幫側迎山角為20°,鋼絞線外端繞過槽鋼用專用鎖具連接。2)兩幫及底板拐角錨桿采用φ 20×2 500 mm的高強預拉力錨桿,高幫間排距為700 mm×800 mm,低幫間排距為820 mm×800 mm。巷道兩幫距巷道底板的底角錨桿俯斜角為30°,兩幫距巷道頂板的仰 斜錨桿仰斜角均為 30°,其余幫錨桿均水平布置,高幫錨桿共布置6根,低幫錨桿共布置3根。同時高幫采用鋼絞線錨索增強支護,錨索規格為φ 17.8×5 300 mm(深入巖體長度為5 000 mm),每隔2排錨桿布置1套錨索,錨索距底板高度為1 250 mm,間排距為 1 500 mm×1 600 mm;槽鋼長度為1 900 mm,鋼絞線通過14號槽鋼兩端孔錨入幫,其上部的錨索的仰傾角為35°,下端的錨索的俯角為 30°。3)在斷層破碎帶附近及頂板淋水等地質構造情況,采用錨網索和U29梯型棚支護,根據地質條件,U29梯型棚距可適當放寬。如果巷道淋水,需采用防水性樹脂藥卷,同時考慮噴漿、注漿,以防止圍巖風化。4)錨桿安裝的扭矩力不小于150 N?m,預緊力不小于50 kN,錨固力不小于120 kN;錨索安裝預緊力不小于80 kN,錨固力不小于250 kN。

4 回采巷道支護效果

1)巷道變形量小。根據礦壓觀測,頂板下沉量為300 mm～500 mm,兩幫移近量為200 mm～400 mm,有效控制了煤層的頂和幫。錨網索施加的強大初始預緊力,將松軟煤層形成一個整體,加上桁架錨索的懸吊補強作用,保持了巷道的穩定性。2)提高了掘進單進效率。采用聯合支護實現了綜掘快速掘進,單進由過去的150 m提高到目前的300 m左右,提高了近一倍。3)減低了支護成本。聯合支護成本為2 966.15元/m,其中支護材料費用2 318.75元/m,人工費用457.70元/m,機械費用189.70元/m。

5 結語

1)回采巷道的頂部、高幫側及頂底板四角處是巷道的薄弱處,要注意加強支護,防止支護結構從薄弱部位失效,進而導致整個支護結構失穩。2)預應力錨桿、錨索在巷道的支護初期能對圍巖施工一個強大的主動支護抗力,充分發揮出圍巖的自承能力,符合現代巷道支護理論。3)錨網、錨索聯巷支護使錨固巖體形成一個整體的承載結構,改變了圍巖的受力狀態,提高了圍巖的自身承載能力,能夠有效控制圍巖的變形和破壞,提高了支護的可靠性。

[1] 宋選民,竇江海.淺埋煤層回采巷道合理煤柱寬度的實測研究[J].煤炭科學技術,2003,31(3):31-33.

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[4] 高召寧,孟祥瑞.深井高應力軟巖回采巷道支護對策[J].煤礦安全,2007(6):69-72.