同忻礦大斷面開切眼聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

張秀麗,遲克勇

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030031)

同忻礦大斷面開切眼聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

張秀麗1,2,遲克勇2

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030031)

以同忻礦8207工作面開切眼為例,針對(duì)大斷面開切眼圍巖易變形破壞且難以控制的問題,提出采用分次成巷和聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。實(shí)踐結(jié)果表明,采用分次成巷和聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案可以有效控制8207工作面開切眼的圍巖變形,圍巖礦壓顯現(xiàn)明顯改善,解決了8207工作面大斷面切眼施工困難和頂板難以管理的問題。

大斷面開切眼; 分次成巷;聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

綜采放頂煤工作面液壓支架的使用要求切眼具有較大的斷面,然而隨著斷面的不斷加大,巷道的開挖和維護(hù)越來越困難,對(duì)巷道施工和支護(hù)技術(shù)的要求也越來越高。現(xiàn)有常規(guī)的支護(hù)方案難以滿足大斷面開切眼圍巖控制的要求。許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,何富連等[1]通過使用模擬軟件,得出頂板拉破壞的范圍隨著切眼寬度的增大而增大,在此基礎(chǔ)上提出“交叉邁步式”聯(lián)合控制技術(shù)。柴肇云等[2]研究表明錨索加固不能明顯提高圍巖最大承載能力,但是能明顯提高圍巖殘余強(qiáng)度和塑性破壞后的承載能力。張茂林等[3]通過研究認(rèn)為錨桿長(zhǎng)度和支護(hù)密度是影響圍巖支護(hù)效果的主要因素,提出采用錨網(wǎng)、錨索和鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)方案,有效控制了切眼圍巖的變形。周文中[4]研究表明大跨度巷道施工時(shí)利用二次成巷技術(shù)先導(dǎo)后擴(kuò)可降低施工難度,保證頂板安全。徐向南[5]根據(jù)切眼圍巖變形破壞的特點(diǎn),提出“螺紋鋼錨桿+錨索+鋼筋骨架網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式。

根據(jù)現(xiàn)階段的研究可知,使用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)大斷面開切眼圍巖變形控制能起到很好的效果。現(xiàn)以同忻礦8207工作面為工程背景,結(jié)合煤礦實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),利用現(xiàn)有支護(hù)理論以及對(duì)巷道圍巖變形機(jī)制的研究,提出采用分次成巷和聯(lián)合支護(hù)相結(jié)合的方案,對(duì)8207工作面大斷面開切眼進(jìn)行施工維護(hù),實(shí)現(xiàn)了切眼圍巖穩(wěn)定性控制,豐富了大斷面開切眼聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的相關(guān)理論與技術(shù)。

1 地質(zhì)概況

同忻煤礦是大同煤礦集團(tuán)在2006年建設(shè)的現(xiàn)代化大型煤礦。8207工作面主要開采煤層為石炭系3#-5#煤層,煤層開采厚度15.1 m～25.91 m,平均厚度15.27 m;工作面走向長(zhǎng)1300 m,傾斜長(zhǎng)200m;煤層傾角1°～ 4°,平均傾角2°。工作面的直接頂是砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖,厚度3.8 m;老頂為含礫粗砂巖,厚度5.22 m;直接底為高嶺巖,厚度2.68 m。工作面切眼巷凈寬9.1 m,鋪地后凈高3.6 m,支護(hù)為錨網(wǎng)、錨索、工字鋼、鋼托板、木垛配合單體液壓支柱聯(lián)合支護(hù)。

2 大斷面開切眼圍巖變形破壞的影響因素

大斷面開切眼圍巖變形破壞主要受頂煤厚度、切眼斷面寬度、支護(hù)技術(shù)以及施工技術(shù)等因素的影響。

2.1頂煤厚度和切眼斷面寬度

頂煤厚度和切眼斷面寬度是影響圍巖變形破壞的主要因素。隨著頂煤厚度的增加,切眼頂板圍巖的塑性區(qū)范圍也會(huì)擴(kuò)大。由于煤體裂隙發(fā)育,在應(yīng)力作用下易發(fā)生破碎,難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu),易發(fā)生頂板離層垮落。

當(dāng)斷面寬度較大時(shí),巷道頂板的懸空距離較大,頂板巖層形成梁結(jié)構(gòu)的彎曲變形量較大。因此,切眼中部頂板的巖層因彎曲下沉易發(fā)生破斷垮落。頂板淺部煤層煤體破碎,隨著切眼斷面寬度的增加,裂隙會(huì)向煤體深部發(fā)育,造成較深部煤體發(fā)生破裂失穩(wěn)而失去承載能力,保證圍巖的整體性也變得十分困難。

2.2支護(hù)技術(shù)

由于斷面較大、頂煤較厚,普通支護(hù)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖多層次、全方位、高質(zhì)量的控制,導(dǎo)致巷道圍巖變形嚴(yán)重,破裂區(qū)和塑性區(qū)范圍擴(kuò)大,更為嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)支護(hù)失效致使巷道無法使用的情況。

2.3施工技術(shù)

大斷面厚頂煤切眼對(duì)施工技術(shù)有很高要求。采用一次成巷技術(shù)開掘大斷面的切眼需要控制圍巖劇烈的變形和頂板的下沉量。采用分次成巷技術(shù)施工則需要保證初掘小切眼與后擴(kuò)幫部分的斷面尺寸相協(xié)調(diào),保證兩個(gè)過程中開切眼頂部斷面平整使工字鋼完全接頂,還要保證施工過程安全可靠,防止出現(xiàn)垮落冒頂?shù)仁鹿省?/p>

3 大斷面開切眼支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1切眼的布置與施工

同忻礦8207工作面大斷面切眼采用分次成巷技術(shù)進(jìn)行開掘,先從采空區(qū)側(cè)以5.5 m寬的小斷面掘進(jìn),然后在工作面?zhèn)人⒋蟪扇珨嗝?.1 m。在掘、刷兩個(gè)過程中必須保證開切眼頂部平整,使用的工字鋼接頂嚴(yán)實(shí),嚴(yán)禁超空頂作業(yè)。為了確保支護(hù)質(zhì)量和施工安全,施工隊(duì)組每班做好打壓記錄,并實(shí)行支護(hù)編碼管理和臺(tái)賬記錄,責(zé)任到人,有期可查,抓好現(xiàn)場(chǎng)管理,施工過程中如果遇到圍巖變形嚴(yán)重,支護(hù)強(qiáng)度不夠等問題,應(yīng)及時(shí)向有關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)報(bào)告,以便及時(shí)完善支護(hù)方案,加強(qiáng)支護(hù),確保施工安全和服務(wù)期。

3.2切眼支護(hù)設(shè)計(jì)方案

同忻礦8207工作面大斷面開切眼總體上采用木垛、錨網(wǎng)、錨索、工字鋼、組合錨索以及單體支柱鉸接頂梁等聯(lián)合支護(hù)技術(shù),支護(hù)設(shè)計(jì)方案,如圖1所示。

1-a 剖面圖

1-b 平面圖圖1 切眼支護(hù)方案Fig.1 Open-off cut supporting plan

1)開切眼頂板支護(hù)設(shè)計(jì)。在初掘小斷面切眼的施工過程中,切眼的頂板采用錨網(wǎng)、錨索、工字鋼、組合錨索以及配合單體支柱鉸接頂梁進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

錨桿采用Φ20 mm、L=3 100 mm的左旋無縱筋螺紋鋼;拱形可調(diào)心鋼托板尺寸為150 mm×150 mm×10 mm;頂護(hù)網(wǎng)為Φ6 mm的圓鋼網(wǎng),網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm。錨桿的間排距為800 mm×800 mm,錨桿要達(dá)到預(yù)緊力150 kN且外漏長(zhǎng)度不得超標(biāo)。

錨索規(guī)格為Φ17.8 mm,L=8 400 mm,一梁三錨。采用長(zhǎng)度5 000 mm的12#礦用工字鋼,工字鋼上的孔距為1 800 mm;拱形可調(diào)心鋼托板尺寸為200 mm×200 mm×16 mm。利用錨索和工字鋼組合支護(hù)實(shí)現(xiàn)接頂,支護(hù)必須及時(shí),長(zhǎng)工字鋼梁不能完全接頂時(shí),可采用Φ17.8 mm錨索吊掛1.2 m的12#礦用工字鋼短梁實(shí)現(xiàn)接頂,工字鋼梁的排距為1 600 mm。

組合錨索中的1#錨索規(guī)格為Φ17.8 mm,L=10 300 mm,2#-5#錨索規(guī)格為Φ17.8 mm,L=6 300 mm;矩形鋼托板寬×厚=600 mm×600 mm。組合錨索的排距為3 200 mm,即中間每隔4排錨桿布置一個(gè)組合錨索。

單體液壓支柱的型號(hào)為DW-45,與之配合的鉸接頂梁長(zhǎng)度L=1 200 mm。采空區(qū)側(cè)初掘小斷面切眼到位后,掘進(jìn)機(jī)組開始撤退時(shí)進(jìn)行第一、第二行單體支柱支護(hù),所有單體液壓支柱必須防倒、防墜。

在初掘小切眼刷大為全斷面切眼的過程中,切眼的頂板控制除采用與初掘小切眼相同的支護(hù)方式外,再配以木垛進(jìn)行支護(hù)。其中工字鋼采用長(zhǎng)度L=4 500 mm的12#礦工字鋼,工字鋼上的孔距為1 600 mm,其余支護(hù)參數(shù)和支護(hù)方式相同,木垛采用200 mm×200 mm×1200 mm的方松木支設(shè)。

2)開切眼采空區(qū)側(cè)幫支護(hù)。對(duì)于初掘小斷面切眼的采空區(qū)側(cè)幫則采用錨網(wǎng)支護(hù)。使用Φ6 mm的圓鋼網(wǎng),網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm;錨桿采用Φ18 mm、L=2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼,并配合使用型號(hào)為BHW280 mm×5 mm×450 mm的鋼帶托板。

3)開切眼工作面?zhèn)葞椭ёo(hù)。對(duì)于切眼的工作面?zhèn)葞蛣t采用高強(qiáng)度塑料網(wǎng)、玻璃鋼錨栓桿以及玻璃鋼護(hù)板聯(lián)合支護(hù)。其中玻璃鋼錨栓桿的參數(shù)為Φ20 mm,L=2 500 mm;玻璃鋼錨栓桿的間排距為900 mm×900 mm,最上層的錨栓桿端部距頂板的距離為450 mm,錨桿從上到下布置4排。

4 大斷面切眼支護(hù)效果

8207工作面開切眼采用聯(lián)合支護(hù)方案后,在切眼頂板中央以及兩幫布置測(cè)站,所選測(cè)站監(jiān)測(cè)結(jié)果,如圖2所示。

圖2 頂板下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.2 Monitoring results of roof subsidence

切眼開挖初期,頂板圍巖變形劇烈,下沉量較大,監(jiān)測(cè)前5 d下沉量達(dá)160 mm,兩幫移近量達(dá)140 mm。之后圍巖變形趨緩,在開挖15 d后達(dá)到穩(wěn)定,此時(shí)頂板下沉量達(dá)到205 mm,兩幫移近量達(dá)到170 mm。二次擴(kuò)幫時(shí),頂板下沉量和兩幫移近量又迅速增大,并在擴(kuò)幫后的15 d后達(dá)到穩(wěn)定,最終頂板下沉量為334 mm,兩幫移近量為252 mm,均控制在安全范圍之內(nèi),圍巖控制效果良好。

5 結(jié)論

1)大斷面開切眼采用分次成巷方案,能有效緩解開挖擾動(dòng)大、圍巖變形劇烈的情況。掘進(jìn)時(shí)頂板懸露的面積較小,能及時(shí)進(jìn)行支護(hù)保證掘進(jìn)安全進(jìn)行。

2)通過使用錨網(wǎng)、錨索、工字鋼、組合錨索、木垛以及單體液壓支柱配合鉸接頂梁聯(lián)合支護(hù)技術(shù),能有效減少圍巖變形,保證頂板圍巖的完整性,盡可能使圍巖處于受壓狀態(tài),有效減少了圍巖拉破壞。

3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明,切眼頂板最大下沉量為334 mm,兩幫最大移近量為252 mm,圍巖變形量在合理范圍內(nèi)。因此,采用分次成巷和聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能有效控制同忻礦8207工作面大斷面切眼圍巖變形,有效解決了大斷面切眼支護(hù)難題。

[1] 何富連,薄云山.厚煤頂開切眼圍巖穩(wěn)定性及其錨索合理構(gòu)型研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(2):233-239.

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[4] 周文中.二次成巷有關(guān)技術(shù)在巷道斷面刷大中的運(yùn)用[J].礦山測(cè)量,2015(3):33-39.

[5] 徐向南.厚煤層大斷面切眼圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)[J].山西煤炭,2016,36(2):23-25.

XU Xiangnan.Analysis and Control of Surrounding Rock Stability around Large-section Open-off Cut on Thick Coal Seam[J].Shanxi Coal,2016,36(2):23-25.

CombinedSupportingDesignofLargeSectionwithOpen-offCutinTongxinMine

ZHANGXiuli1,2,CHIKeyong2
(1.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ShanxiVocationalandTechnicalCollegeofCoal,Taiyuan030031,China)

Taking the open-off cut of No.8207 working face in Tongxin mine as an example, the surrounding rock of the large section with open-off cut is prone to deform and be damaged, which is difficult to control. To solve the problem, the paper proposes tunneling by several times and combined supporting technology. The field practice shows that the tunneling by several times and combined supporting technology could effectively control the surrounding rock deformation and the strata pressure behavior has been improved, which could solve the difficulty of the construction of open-off cut and roof management on No.8207 working face.

large section with open-off cut; tunneling by several times; combined supporting technology

1672-5050(2017)03-0031-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.009

2016-10-11

張秀麗(1976-),女,山西臨汾人,在讀工程碩士,從事煤礦安全教學(xué)工作。

TD353

A

(編輯:薄小玲)