基于主動支護(hù)的高預(yù)緊力錨索支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐

張 鵬,鞏仲斌,賀麗峰,孫 亮,單棟梁,劉 芳,王春來

(1.山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 惠源焦煤有限公司, 山西 鄉(xiāng)寧 041200;2.山西蒲縣宏源集團(tuán) 富家凹煤業(yè)有限公司, 山西 蒲縣 041200;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院, 北京 100083)

目前我國地下煤炭開采多采用長壁式采煤法,即通過相鄰工作面之間留設(shè)煤柱來構(gòu)成回采空間,工作面巷道在其生產(chǎn)服務(wù)期間受到掘進(jìn)、回采和相鄰工作面生產(chǎn)的疊加影響,且因處于煤層之中,圍巖強(qiáng)度較低,易發(fā)生大面積變形,如果巷道支護(hù)強(qiáng)度不夠,將嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn),造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

對巷道的圍巖控制技術(shù),國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究,潘銳等[1]在巷道回采期間利用錨注補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)方法,顯著提高了支護(hù)效果;遲寶鎖等[2]采用恒阻大變形錨索解決了大采高條件下的支護(hù)難題;劉嘯等[3]研究了不同層位頂板的變形規(guī)律,得到層間錯(cuò)動判據(jù),并分析了不同支護(hù)參數(shù)之間的量化關(guān)系,驗(yàn)證了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性;單仁亮等[4]采用能量分析法,推導(dǎo)了不同階段讓壓錨桿的本構(gòu)模型,給出了錨桿的合理支護(hù)參數(shù)理論公式;趙志研[5]研究了巷旁充填體參數(shù)對沿空留巷圍巖控制的影響,結(jié)合“三高一低”錨桿支護(hù)理念,提出了不對稱支護(hù)方案;Yuan等[6]分析了強(qiáng)開采條件下巷道變形解體的機(jī)理,驗(yàn)證了厚錨固越界(TATB)支護(hù)技術(shù)的現(xiàn)場工程效果,為相似條件下巷道頂板穩(wěn)定性的維護(hù)提供參考。

富家凹煤業(yè)11#煤層二采區(qū)11205工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)時(shí),相鄰工作面11207正在回采,受相鄰工作面采動影響,11205回風(fēng)順槽存在支護(hù)安全隱患。為保證回采工作順利進(jìn)行,有效控制巷道變形,減少二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)成本,提出全錨索支護(hù)方案,優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì),以提高掘支效率。

1 巷道圍巖變形破壞特征分析

巖性探測結(jié)果顯示,富家凹煤業(yè)11#煤層11205回風(fēng)順槽頂板巖性變化較快,頂板巖性探測柱狀圖見圖1. 直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤線多層軟弱煤巖層組成的(1～6 m厚,平均3.7 m)層狀復(fù)合頂板,直接頂板易發(fā)生下沉、垮落,原因:1) 巖層之間的黏結(jié)強(qiáng)度非常弱,頂板來壓后易造成層間離層。2) 復(fù)合頂板中各巖層之間存在強(qiáng)度差異,頂板來壓后各層變形程度不同而導(dǎo)致層間離層。3) 復(fù)合頂板中如果存在軟弱夾層(其厚度較薄且自身抗拉強(qiáng)度極弱),荷載作用下軟弱夾層自身及與上下巖層的界面處均容易發(fā)生破壞。

層狀復(fù)合頂板穩(wěn)定性分級見表1.

表1 層狀復(fù)合頂板穩(wěn)定性分級

當(dāng)巷道頂板存在節(jié)理裂隙等特殊地質(zhì)構(gòu)造帶,或有淋水現(xiàn)象發(fā)生時(shí),則直接確定頂板的穩(wěn)定性等級為Ⅳ級。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及層狀復(fù)合頂板穩(wěn)定性分級系統(tǒng)認(rèn)為,富家凹煤業(yè)11205兩巷道頂板為Ⅲ級(易垮落型),局部淋水區(qū)段為Ⅳ級(極易垮落型)。

2 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

11205兩順槽設(shè)計(jì)長度2200 m,蓋山厚度220～280 m,服務(wù)年限為19個(gè)月,沿煤層頂板掘進(jìn),采用矩形斷面,巷道毛寬5 m,毛高3 m,掘進(jìn)斷面15.0 m2. 為了控制11205兩順槽頂板變形,針對兩巷道相鄰工作面回采前掘進(jìn)區(qū)段巷道直接頂為軟弱層狀復(fù)合頂板,且掘出后由于受相鄰工作面回采的動壓影響,易發(fā)生較大變形的情況,提出“高預(yù)緊力+強(qiáng)護(hù)表”變淺部軟弱復(fù)合頂板為加固組合梁的全錨索支護(hù)方案,設(shè)計(jì)采用“全斷面短錨索+長錨索+雙層鋪網(wǎng)”的主動支護(hù)方式。

2.1 頂板支護(hù)

短錨索選用φ21.6 mm×4300 mm,1×7股鋼絞線,每排布置5根,間排距為1100 mm×1100 mm,長錨索選用φ21.8 mm×7300 mm(長錨索長度需根據(jù)巖性探測結(jié)果而變化,確保錨入粉砂巖層7 m以上),1×19股鋼絞線,設(shè)計(jì)預(yù)緊力為200～250 kN,每排布置2根,間排距為1400 mm×2200 mm,配合使用300 mm×300 mm×16 mm拱形方托板,拱高不低于60 mm,配調(diào)心球墊;錨索角度:全部垂直于頂板進(jìn)行施工、安裝。

采用雙層網(wǎng)布置,第一層為10#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng),網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm;第二層為φ6 mm鋼筋編織的金屬網(wǎng),網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm. 每層網(wǎng)搭接長度均要求不小于100 mm,采用雙股14#鐵絲“之”字型聯(lián)網(wǎng)并扭結(jié)三圈,聯(lián)網(wǎng)間距不大于100 mm. 要求鋪網(wǎng)超前于錨索400 mm,以預(yù)留聯(lián)網(wǎng)空間,且設(shè)計(jì)最小空頂距為400 mm.

2.2 巷幫支護(hù)

護(hù)幫錨索選用φ21.6 mm×4300 mm,1×7股鋼絞線,采用一支CK2340和兩支Z2360樹脂錨固劑錨注,設(shè)計(jì)預(yù)緊力為200～250 kN,每排布置3根,間排距為1100 mm×1100 mm,配合使用300 mm×300 mm×16 mm拱形方托板,拱高不低于60 mm,配調(diào)心球墊;錨索角度:全部垂直于幫部進(jìn)行施工、安裝。

主動支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.

表2 主動支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 現(xiàn)場巷道支護(hù)效果對比

通過現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測表明,由于11201工作面的回采動壓影響,采用原支護(hù)方案的11203工作面運(yùn)輸巷圍巖變形嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為頂板破碎、局部區(qū)域有鼓包、底鼓和片幫現(xiàn)象,頂板支護(hù)鋼帶變形嚴(yán)重,原支護(hù)方案支護(hù)效果較差,嚴(yán)重影響了11203工作面的安全生產(chǎn),后續(xù)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)成本大。

11205巷道采用“高預(yù)緊力+強(qiáng)護(hù)表”變淺部軟弱復(fù)合頂板為加固組合梁的全錨索支護(hù)方案,通過現(xiàn)場施工“全斷面短錨索+長錨索+雙層鋪網(wǎng)”的主動支護(hù)方式。采用新的支護(hù)設(shè)計(jì)后,在工作面回采期間對巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果見圖2.

圖2 巷道圍巖變形情況

由圖2分析可知,對11205工作面順槽進(jìn)行“全斷面短錨索+長錨索+雙層鋪網(wǎng)”的主動支護(hù)后,巷道變形量得到有效控制,頂板最大下沉量未超過350 mm,兩幫最大移近量不超過600 mm,對比11203工作面順槽頂板和兩幫最大變形量600 mm、1000 mm,變形量分別減少了41.6%和40%,現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

工作面回采期間,巷道整體變形可控,錨桿(索)破斷每百米1—3根,相比11203工作面減少50%. 11203回采期間受動壓影響,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)頂錨索1010根,11205頂錨索補(bǔ)打685根,減少33%;幫錨索補(bǔ)打733根,11205幫部無需補(bǔ)強(qiáng);補(bǔ)打桁架錨索減少26%,11205工作面順槽相比11203工作面兩順槽平均返修率降低25%.

礦壓綜合監(jiān)測和巷道每日巡查結(jié)果顯示:頂板巡查無異常,兩幫正常,礦壓觀測無異常,巷道掘進(jìn)階段成形較好,已支護(hù)階段巷道未發(fā)生明顯變形,頂板雙層網(wǎng)未出現(xiàn)鼓包等現(xiàn)象,主動支護(hù)效果明顯,節(jié)省二次支護(hù)成本的同時(shí),提高了掘支效率,同時(shí)有效解決了迎采送巷引起的巷道變形問題。

4 結(jié) 論

1) 通過現(xiàn)場巖性探測分析可得,富家凹煤業(yè)11205工作面巷道頂板巖性變化較快,巷道直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤線等多層軟弱煤巖層組成的Ⅲ級(易垮落型)層狀復(fù)合頂板,局部淋水區(qū)段為Ⅳ級(極易垮落型)。

2) 針對兩巷道相鄰工作面回采前掘進(jìn)區(qū)段巷道直接頂為軟弱層狀復(fù)合頂板的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)采用“全斷面短錨索+長錨索+雙層鋪網(wǎng)”的主動支護(hù)方式。結(jié)合現(xiàn)場礦壓觀測對比分析,高預(yù)緊力全錨索的主動支護(hù)能夠充分發(fā)揮錨索的錨固和懸吊作用,增強(qiáng)對巷道圍巖的控制強(qiáng)度,保證工作面順利回采。

3) 現(xiàn)場效果表明,主動支護(hù)能夠適應(yīng)不斷變化的地質(zhì)條件和地層運(yùn)動,更加適用于治理煤層軟弱復(fù)合頂板;主動支護(hù)系統(tǒng)能夠承受重大荷載,保持結(jié)構(gòu)的完整性;主動支護(hù)還有助于提高地下礦井和隧道的工作安全性,降低事故風(fēng)險(xiǎn)。因此,主動支護(hù)體系值得在類似礦山推廣應(yīng)用。