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高應(yīng)力擾動回采巷道支護(hù)方案設(shè)計分析

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高應(yīng)力擾動回采巷道支護(hù)方案設(shè)計分析

摘要:針對新元煤礦東四正巷掘近期間面臨高地應(yīng)力反復(fù)擾動、泥巖頂板條件差、巷道斷面大等支護(hù)難點(diǎn),提出錨索桁架支護(hù)技術(shù),形成“支護(hù)—圍巖”整體承載結(jié)構(gòu),并進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)及礦壓觀測,將巷道圍巖位移量、頂板離層值控制在安全范圍,巷道圍巖控制效果良好。

關(guān)鍵詞:擾動;巷道;錨索;桁架

煤礦回采巷道為工作面直接服務(wù),在承受礦山壓力顯現(xiàn)作用的最前沿,承受強(qiáng)烈、反復(fù)的應(yīng)力擾動,尤其是對于頂板條件差、巷道斷面大、服務(wù)期限長、應(yīng)力疊加復(fù)雜的回采巷道,選擇合理有效的支護(hù)方案,對于保障礦井安全生產(chǎn)至關(guān)重要。新元煤礦歷來重視巷道的快速掘進(jìn)和有效支護(hù),在煤層巷道礦壓控制與錨桿支護(hù)技術(shù)方面得到了較快發(fā)展,基于該礦特殊的地質(zhì)生產(chǎn)條件,取得了很多支護(hù)成功的案例[1-3]。本文即對新元礦3#煤層?xùn)|四正巷的支護(hù)難點(diǎn)及支護(hù)方案進(jìn)行研究,總結(jié)巷道支護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn),從而推動煤礦支護(hù)技術(shù)的不斷向前發(fā)展。

1工程概況及支護(hù)難點(diǎn)分析

新元礦位于壽陽中南部,3#煤層是該礦主采煤層,煤層平均厚度2.60m,以亮煤為主,內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層偽頂為高嶺石泥巖,厚度0.3m;直接頂為砂質(zhì)泥巖,平均厚度1.53m;基本頂為軟弱砂巖與泥巖互層,平均厚度2.38m;底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖,平均厚度1.96m。東四正巷為103工作面與104工作面的共用巷道,即為二次復(fù)用巷道,在103工作面回采時作為進(jìn)風(fēng)及輔助運(yùn)輸巷道,在104工作面回采時作為進(jìn)風(fēng)及膠帶運(yùn)輸巷道。東四正巷的支護(hù)難點(diǎn)分析如下:(1)巷道服務(wù)期限長。巷道長度近1800m,為兩個工作面所共用,承受工作面采動超前支承壓力和采后支承壓力的反復(fù)影響,需經(jīng)歷順槽掘進(jìn)期、設(shè)備安裝期、采面銜接期、采動劇烈影響期、二次采動影響期,巷道變形時間長。(2)煤層及頂板條件差。3#煤層煤質(zhì)較軟,節(jié)理裂隙發(fā)育,易產(chǎn)生離層破壞和垮落,且厚層泥巖頂板自穩(wěn)能力差,無穩(wěn)定的巖層供懸吊之用,不易形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu),頂板局部有淋水,導(dǎo)致巖層膨脹變形,且影響錨固劑發(fā)揮錨固效果。(3)巷道斷面大、頂板跨度大。巷道因跨度較大,頂板中部拉應(yīng)力集中,離層破壞范圍大,易導(dǎo)致冒頂,煤幫出現(xiàn)向巷道內(nèi)整體位移、垮幫,巷道支護(hù)系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p毀或失效。

2支護(hù)方案設(shè)計

2.1新型錨索桁架控制系統(tǒng)支護(hù)原理

因巷道支護(hù)的特殊性及實(shí)際困難,為進(jìn)行有效支護(hù),與高校進(jìn)行科研合作,引入錨索桁架控制系統(tǒng)這一新型支護(hù)技術(shù)。該技術(shù)的核心部件是專用桁架連接器,克服單體錨索的支護(hù)缺陷,對錨索進(jìn)行組合及預(yù)緊力施加,進(jìn)行巷道圍巖的深部支護(hù),淺部支護(hù)依靠預(yù)應(yīng)力錨桿,形成整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)。該技術(shù)尤其適用于采動劇烈影響巷道、軟弱頂板煤巷、大斷面巷道、懸頂面積大的交叉點(diǎn)等復(fù)雜條件下的巷道圍巖控制。技術(shù)原理如圖1所示[4]。這一新型支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用能對巷道頂板同時施加水平應(yīng)力和鉛垂應(yīng)力,對支護(hù)范圍內(nèi)的圍巖施加擠壓力,抵消巷道的下沉位移,能發(fā)揮高效的主動支護(hù)作用,尤其是巷道離層前的主動支護(hù),對于抑制巷道變形非常關(guān)鍵,且與巷道圍巖協(xié)同作用,形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)。

2.2支護(hù)方案設(shè)計及參數(shù)分析

基于新型錨索桁架控制系統(tǒng),針對東四正巷的具體地質(zhì)及生產(chǎn)條件,綜合考慮支護(hù)難點(diǎn)和支護(hù)薄弱環(huán)節(jié),設(shè)計并優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖2所示。(1)頂板錨桿支護(hù)。選用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,規(guī)格Φ20mm×2400mm,單根錨桿錨固長度800mm,使用一支Φ23mm×800mm中速錨固劑進(jìn)行端錨,錨固力不低于100kN;錨桿間排距800mm×800mm,其中最外側(cè)兩根錨桿間距500mm,且斜向外10°打設(shè),其余錨桿垂直頂板打設(shè);配合錨桿托盤、鋼筋梯子梁及金屬菱網(wǎng)打設(shè)。(2)頂板錨索支護(hù)。錨索支護(hù)為單體錨索、桁架錨索交替配合使用。單體錨索:選用預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索,規(guī)格為Φ17.8mm×9300mm,使用一支Φ23mm×1200mm雙速錨固劑進(jìn)行端錨,錨固力控制不低于160kN;單體錨索每排兩根,間排距為1600mm×800mm;配合W形鋼帶打設(shè)。桁架錨索:預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索,規(guī)格Φ15.24mm×8500mm,使用一支Φ23mm×1200mm中速錨固劑進(jìn)行端錨;桁架錨索每排兩根,間排距2100mm×1600mm;桁架錨索斜向外側(cè)打設(shè),與鉛垂方向夾角20°,每排兩根錨索伸出鉆孔并使用配套的鎖具及桁架錨索連接器連接好,張拉預(yù)緊后錨固力控制不低于140kN。(3)巷幫支護(hù)。選用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,規(guī)格Φ20mm×2400mm,單根錨桿錨固長度800mm,使用一支Φ23mm×800mm中速錨固劑進(jìn)行端錨,錨固力不低于70kN;錨桿間排距1000mm×800mm,其中最上部錨桿斜向上10°打設(shè),其余錨桿垂直巷幫打設(shè);配合錨桿托盤及金屬菱網(wǎng)打設(shè)。(4)非常規(guī)時期支護(hù)方式[5]。巷道掘進(jìn)過程中遇過斷層、頂板漏冒、壓力異常等情況時,及時編制專項(xiàng)安全技術(shù)措施,采用注漿、架棚、噴漿等加強(qiáng)支護(hù)措施。

3應(yīng)用效果分析

巷道支護(hù)試驗(yàn)段長度為200m,對掘進(jìn)支護(hù)后一個時期內(nèi)的巷道圍巖變形進(jìn)行觀測,測站布置如圖3所示。在近150d的觀測期,發(fā)現(xiàn)如下圍巖變形規(guī)律(各測站觀測平均值):巷道掘進(jìn)后20d內(nèi)為圍巖變形快速發(fā)展期,約30d后逐漸穩(wěn)定,頂板總下沉量近90mm,兩幫移近量控制在120mm以內(nèi),頂板離層控制效果較好;50~120d期間,受103工作面回采影響,圍巖受二次擾動,圍巖變形又經(jīng)歷一個快速發(fā)展期,頂板總下沉量達(dá)到300mm,兩幫移近量達(dá)到410mm,頂板離層值最大發(fā)展至15mm,總體可控,后趨于穩(wěn)定。東四正巷及其他兩條回采巷道中采用的新型錨索桁架支護(hù)方案,取得了顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益,累計節(jié)約材料費(fèi)、人工費(fèi)、維修費(fèi)等1200余萬元,提高了掘進(jìn)速度,減少了巷道維護(hù)工作量,有效緩解了采掘接替緊張的局面。更重要的是可以降低安全隱患,提高安全系數(shù),在施工中沒有出現(xiàn)原來普通錨桿錨索支護(hù)時的冒頂事故,頂板沒有發(fā)生大的離層,巷道圍巖穩(wěn)定,安全生產(chǎn)得到保障。

4結(jié)語

巷道支護(hù)方案設(shè)計及圍巖有效支護(hù)是保障煤礦采掘作業(yè)及安全生產(chǎn)的關(guān)鍵,錨索桁架控制系統(tǒng)為新元礦回采巷道提供了新型支護(hù)技術(shù)?;谠撓到y(tǒng)及東四正巷的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件,設(shè)計一套新型錨索桁架支護(hù)方案。該方案能在水平和鉛垂方向提供有效支護(hù)力,且斜穿過煤幫上方附近頂板最大剪應(yīng)力區(qū),與巷道圍巖形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu),能發(fā)揮高效的主動支護(hù)作用。經(jīng)過200m巷道試驗(yàn)段的支護(hù)及礦壓觀測驗(yàn)證,巷道圍巖控制效果良好,技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著,有效保障了礦井安全生產(chǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉德軍,左建平,劉海雁,等.我國煤礦巷道支護(hù)理論及技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)科學(xué)學(xué)報,2020,5(01):22-33.

[2]尹海濤.新元礦3210工作面沿空留巷圍巖變形特征及控制技術(shù)研究[J].煤炭與化工,2020,43(02):17-20+24.

[3]謝寧.新元礦3107工作面沿空留巷技術(shù)應(yīng)用研究[J].當(dāng)代化工研究,2019(08):133-134.

[4]郭金剛,王偉光,何富連,等.大斷面綜放沿空巷道基本頂破斷結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定性分析[J].采礦與安全工程學(xué)報,2019,36(03):446-454+464.

[5]王明明.新元礦9104工作面過陷落柱注漿加固技術(shù)應(yīng)用研究[J].山東煤炭科技,2019(07):153-155+165.

作者:劉闖榮 單位:山西新元煤炭有限責(zé)任公司

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