互補控制技術在極軟巖大斷面開切眼中應用

宋德軍 王書有 楊然景

鐵法煤業(集團)有限責任公司小康煤礦礦井自然地質條件為深井軟巖、高應力、強膨脹,在此種巖性中開挖巷道,尤其是大斷面開切眼,巷道來壓迅速、變形快、變形量大,給小康煤礦的安全生產造成極大的威脅;如S2S7段綜放面開切眼,為了滿足整體安裝綜放設備技術要求,采用大斷面,其支護形式為架設7.50m橢圓拱形棚、噴射混凝土,噴厚為300mm,棚距600mm;在其服務期間內230m巷道有85m進行了翻修(嚴重失修率達36.96%),給小康煤礦生產及安全造成很大的影響。基于此,我們在設計S2W1段綜放面開切眼時,借鑒S2S7段綜放面開切眼的經驗教訓,經過認真細致的研究與分析,最終決定采用了互補控制技術,取得了良好的技術經濟效果。

1 工程概況

本綜放面位于小康井田三臺子背斜北翼,由次一級的傾伏背向斜所組成,并在向斜南翼伴有小斷層和煤層缺失變薄帶,給采掘工作造成一定影響。向斜北翼煤層傾角8°～13°,向斜的南翼煤層傾角5°～7°;綜觀工作面,煤層賦存比較穩定,煤層的傾向傾角變化較大。

煤層屬于節理、層理發育的松軟巖層,它的變形特征主要表現為碎脹;開切眼的圍巖呈泥質膠結,具有遇風、遇水風化、膨脹特征;且壓力大,變形速度快,持續時間長;屬于比較典型的極軟巖。

開切眼與兩巷以垂直相連。開切眼斷面采用橢圓拱形,凈寬7.5m,凈高3.5m。

2 錨網噴復合支護方案的選擇

依據S2W1段綜放面開切眼的圍巖地質條件,結合小康煤礦生產實際,我們認為,S2W1段綜放面開切眼斷面形狀應選擇巷道應力集中小、穩定好的橢圓拱形斷面。

根據小康煤礦軟巖巖體強流變性質、遇水風化軟化急速膨脹特性、強烈四周來壓現象以及巷道圍巖變形規律,采用復合支護。錨桿支護參數進行如下設計。

采用Φ22×2400mm的螺紋鋼錨桿,錨桿間、排距800×600mm,五花眼布置。選用樹脂加長錨固,每孔裝3個樹脂錨固劑,先裝入CK2335 錨固劑一個,后裝入Z2335 錨固劑兩個;錨固長度為1400mm,預緊力為150KN;抗拉強度為820MPa。采用舊36U型鋼加工成的強力鋼帶連接錨桿;拱部參數為500×100×8mm,兩幫參數為1000×100×8mm。

錨索參數:錨索參數:錨索采用高預應力錨索,由高強度低松弛的1×19鋼絞線制成,采用Φ28.6×7300mm。錨固劑采用1支K2860和1支M2860或1支K2835和1支M2860樹脂錨固劑。錨索間、排距為1600×1200mm。預應力為300KN。

根據小康煤礦的生產實際情況和所選用支護結構,決定采用7.5m36U型鋼可縮性橢圓拱形支架,每節搭接長度為600mm,每搭接處上4套U型螺桿式卡纜;每節梁中部上用廢U型鋼加工的強力拉板一套,使支護體發揮整體支護能力;棚距為600mm。

采用自制菱形網,網格間距為80×120mm;規格為1300×6500mm。

噴漿厚度為100mm;材料為不含速凝劑的沙漿。

3 效果觀測與技術經濟效益分析

3.1 觀測結果

為了對互補控制支護技術效果進行觀測,在大斷面巷道頂板及兩幫每隔30m布設一組測點,觀測頂底板及兩幫移近量。觀測發現巷道開挖5d內頂底板及兩幫移近速度較快,下沉量最大為50mm,兩幫移近最大為100mm,10d后變形量顯著減少,30d后趨于穩定,最大下沉量達145mm,兩幫最大移近量達223mm,基本處于穩定狀態,在穩定時頂板最大下沉量達180mm左右,兩幫最大移近量達350mm左右。

大斷面極軟巖采用互補控制技術在小康煤礦綜放面開切眼首次應用,未發生一起頂板事故,巷道貫通后只需普遍臥一次底,就能滿足生產需要,有著很強的實用性。

3.2 技術經濟效益分析

3.2.1 改善了巷道支護狀態

采用互補控制技術之所以能有效地控制圍巖,其原因有如下幾點。其一是能與松軟巖的變形特性相適應。松軟巖層具有強度低、變形快、易膨脹、易崩解的特性。這就要求支護結構一方面要有足夠的強度,以承受強大的地壓;另一方面能允許圍巖產生一定量的變形,使地壓部分釋放,同時發揮了圍巖的自承能力。其二是及時噴射混凝土封閉圍巖,使得易膨脹風化的泥質粉砂巖尚未膨脹和風化就被封閉,這樣能使圍巖的強度保持在一個較高的水平。否則,將使圍巖的強度大幅度下降。其三是錨桿、錨索在圍巖內既不受彎曲力矩,又不因載荷的非均布性而降低其支護能力。其它外部支護方式在圍巖地壓的作用下,達到屈服極限的應力主要是由彎曲力矩造成的。而支架失去穩定性而減弱或失去豎向承載能力,是由側壓力或載荷的非均布性造成的。由于錨桿、錨索沿徑向安設,是經緯式布置的,所以錨桿、錨索支護能有效地抵御上述破壞力系,有效地控制住圍巖。其四,錨桿、錨索具有懸吊作用,使危巖不能冒落。其五,從結構力學的觀點看,由于噴層和圍巖緊密粘結,錨桿、錨索加固了巷道的圍巖,因此它們就組成了“組合拱”,即噴層、錨桿、錨索和一定范圍的圍巖組成了一種承載結構。它們共同承載,共同變形,共同抵御巷道地壓,使巷道保持長期穩定。

3.2.2 工人的勞動強度明顯降低

巷道貫通后只需普遍臥一次底,不用翻修,就能滿足生產需要,從而大大降低了工人的勞動強度。

3.2.3 成本降低,效益增高

新型支護每米增加材料消耗為錨桿16套,費用125元/套,錨索7套,費用256/套;巷道單位成本增加為:3792元/m。

原支護形式巷道單位成本增加為:11897元/m。巷道翻修巷道單位成本為:9978元/m。由于新型支護巷道不翻修,因此少翻修巷道278×36.96%=103m,為此增加費用3792×278-9978×103=2.6442萬元。

由于巷道不翻修而節省時間為103÷3=34.3d(原班翻修5架棚,計3m/d),按日生產8000t計算,每噸利潤按80.65元計算,可獲利2213.0360萬元(8000t/d×34.3d×80.65元 =2213.0360萬元)。

由于開切眼不用翻修,不僅使得巷道維修費用大幅度降低,而且使得工作面及時安裝投產,為小康煤礦安全高效集約化生產提供了保障。

4 結語

互補控制技術在小康煤礦S2W1段綜放面開切眼大斷面的應用獲得成功,對于易膨脹、易風化的松軟巖層中大跨度(或大斷面)硐室,采用互補控制技術,是非常經濟和有效的,具有推廣應用價值。