雙柳礦深部大斷面巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王建軍

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 雙柳煤礦,山西 柳林 033300)

近些年來,隨著礦井煤炭生產(chǎn)能力的提高,對(duì)井下巷道的輸送能力要求也越來越大,從而出現(xiàn)了較多的大斷面回采巷道,該類巷道的支護(hù)也逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)問題。徐玉勝等[1]采用耦合讓均壓支護(hù)技術(shù)確定了長平礦大斷面巷道支護(hù)方案,并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。史春生[2]以李雅莊礦大斷面回采巷道為背景,對(duì)巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究,并提出了“高預(yù)緊力錨桿+樹脂+錨索”聯(lián)合支護(hù)方案。孟慶安等[3]闡述了引發(fā)綜放大斷面巷道頂板失穩(wěn)的原因,研究了其冒頂機(jī)理與控制措施。張純旺等[4]通過理論分析和模擬計(jì)算確定了煤礦大斷面巷道“預(yù)應(yīng)力錨桿+鋼筋網(wǎng)+預(yù)應(yīng)力錨索”聯(lián)合支護(hù)的方案。常江陽等[5]運(yùn)用UDEC軟件對(duì)關(guān)嶺山礦堅(jiān)硬頂板大斷面巷道圍巖應(yīng)力分布特征進(jìn)行了分析,并優(yōu)化了巷道支護(hù)參數(shù)。趙科等[6]研究了厚煤頂大斷面巷道圍巖破壞變形特征,得出了相應(yīng)巷道的合理支護(hù)方式。

雙柳礦三采區(qū)開采過程中,由于該采區(qū)所處地質(zhì)環(huán)境較差,且采區(qū)回采巷道大多為大斷面機(jī)軌合一煤巷，回采工作面已掘回采巷道在高應(yīng)力條件下呈現(xiàn)出巷道圍巖變形量過大、變形速度過快的巷道失穩(wěn)現(xiàn)象。因此,本文以即將掘進(jìn)的三采區(qū)33(4)20回采運(yùn)輸巷作為研究對(duì)象，并進(jìn)行巷道支護(hù)技術(shù)研究,以實(shí)現(xiàn)工作面安全回采。

1 工程概況

33(4)20工作面所采4(3+4)#煤層埋藏深度約為500 m,煤層平均厚度為3.75 m；煤層傾角0～8°,平均4°。含2～3層夾矸,夾矸屬性為泥巖和砂質(zhì)泥巖。基本頂為灰白色細(xì)砂巖,層厚4.13 m;直接頂為灰黑色泥巖,層厚2.8 m,性脆,中厚層狀,半堅(jiān)硬,含植物根莖化石;基本底為淺灰色細(xì)粒砂巖,層厚8.15 m,夾粉砂巖薄層,下部裂隙發(fā)育;直接底為灰黑色泥巖,層厚10.51 m,裂隙發(fā)育,含植物化石。

33(4)20運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)為33(4)20綜采工作面一次采全高的運(yùn)輸巷,該巷設(shè)計(jì)長度為1 160 m,掘進(jìn)工程量為1 195 m,巷寬設(shè)計(jì)為5 400 mm,巷高設(shè)計(jì)為3 800 mm,沿3#煤頂板、4#煤底板掘進(jìn)。巷道頂?shù)装鍘r層賦存特征如圖1所示。

圖1 巷道頂?shù)装鍘r層柱狀圖Fig.1 Stratum histogram of roof-floor of roadway

2 巷道變形破壞機(jī)理分析

1)由于雙柳礦井下巷道多處在埋深較大、地應(yīng)力較高的環(huán)境下,從根本上導(dǎo)致巷道開挖后圍巖塑性破環(huán)程度加深、破壞范圍擴(kuò)大,特別是巷道兩幫煤體由于本身強(qiáng)度較小,在后期受采動(dòng)影響作用破壞將更加嚴(yán)重,進(jìn)而減弱了其對(duì)巷道頂板的支撐穩(wěn)定作用。

2)巷道上覆圍巖較大載荷通過兩幫傳遞作用至巷道底板。由于受實(shí)際施工條件所限,巷道底板支護(hù)滯后或不做支護(hù),致使底板強(qiáng)度較小,所以深部煤層巷道在高應(yīng)力環(huán)境下底臌現(xiàn)象突出。

3)巷道所使用的錨桿托盤多為不可調(diào)心托盤,根據(jù)井下巷道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果,井下存在大量錨桿破斷問題,大多在錨桿尾部螺紋段形成斷裂。綜合分析認(rèn)為,此類錨桿托盤孔口徑較小,使得錨桿末端與托盤銜接處桿體易受到剪切力作用而發(fā)生磨損甚至斷裂；尤其肩部斜角錨桿,此托盤不能起到調(diào)節(jié)桿體偏心的實(shí)質(zhì)意義,錨桿安裝后易受到偏載作用,從而引起錨桿螺紋段彎曲甚至破斷。

4)雙柳礦錨索托盤使用大平托盤,該種托盤在實(shí)際使用中其預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果較差。平托盤不同階段的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 平托盤不同階段的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.2 Distribution of prestressing field of flat tray at different stages

圖2所示為平托盤在預(yù)緊階段和在工作階段時(shí)的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)特征,表現(xiàn)為應(yīng)力分布范圍偏小,容易受應(yīng)力集中而受損。此外,當(dāng)錨索承載載荷較大時(shí),平托盤易發(fā)生邊角彎曲導(dǎo)致支護(hù)效果驟降;同時(shí),平托盤僅適用于錨索垂直于頂板布置的情況,對(duì)巷道復(fù)雜的圍巖環(huán)境適應(yīng)性較弱。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 臨時(shí)支護(hù)方案

巷道掘出后,為確保永久支護(hù)作業(yè)時(shí)的安全操作,當(dāng)工作面控頂距大于300 mm時(shí),須采取以下臨時(shí)支護(hù)措施。

1)工作面選取“吊環(huán)-鑄鐵管-棚板”前探梁作為永久支護(hù)前的臨時(shí)支護(hù),采用4個(gè)螺母吊環(huán)(2個(gè)備用,共6個(gè))、2根3.6 m長的鑄鐵管(鑄鐵管梁頭處加工耳子)配合一根3.8 m長的棚板(寬為200 mm,厚為40 mm)進(jìn)行支護(hù)。

2)工作面每循環(huán)截割完畢后,及時(shí)清理浮矸;然后將前探梁吊環(huán)向煤壁移動(dòng),吊環(huán)固定在緊靠迎頭對(duì)應(yīng)頂板錨桿上;再將金屬網(wǎng)片鋪設(shè)至鑄鐵管上方,并與上循環(huán)預(yù)留的網(wǎng)片搭接好;最后將棚板置于緊跟掘進(jìn)面的2根鑄鐵管上方并用木楔背牢,之后方可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行永久支護(hù)。

3.2 永久支護(hù)設(shè)計(jì)

3.2.1支護(hù)優(yōu)化機(jī)理

1)巷道整體支護(hù)結(jié)構(gòu)選取較高強(qiáng)度的錨桿和錨索組成,高強(qiáng)度的錨桿和錨索在對(duì)巷道圍巖的控制程度上體現(xiàn)出其明顯的性能優(yōu)勢(shì),可有效地提升其錨固范圍內(nèi)煤巖強(qiáng)度及承載能力,同時(shí)可一定程度上抑制裂隙、節(jié)理的再生發(fā)育,減少巷道開挖后塑性破壞區(qū)的加深。

2)對(duì)遇到斷層等構(gòu)造地段下的巷道圍巖破碎現(xiàn)象進(jìn)行錨注漿加固支護(hù)。通過向巷道四周圍巖進(jìn)行注漿的手段配合錨桿索支護(hù),可有效地提升漿液擴(kuò)散范圍內(nèi)的煤巖強(qiáng)度以及內(nèi)聚力,同時(shí)可加強(qiáng)層間黏聚,從而提升圍巖整體完整程度,達(dá)到其自身承載強(qiáng)度增強(qiáng)的目的。

3)針對(duì)巷道支護(hù)薄弱區(qū)域,如巷道幫角處,該區(qū)域范圍內(nèi)圍巖受應(yīng)力集中程度較高,受破壞程度較大,此時(shí)通過控制及調(diào)整錨桿錨索的布置角度或者適當(dāng)加大該區(qū)域范圍內(nèi)的支護(hù)強(qiáng)度,達(dá)到針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)加固的目的。

4)采用拱形可調(diào)心高強(qiáng)托盤配合錨桿索進(jìn)行支護(hù),拱形錨索托盤在預(yù)緊階段和工作階段時(shí)的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布特征，如圖3所示。

圖3 拱形托盤不同階段的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布示意圖Fig.3 Distribution of prestressed field of arched tray at different stages

由圖3可見,拱形托盤支護(hù)條件下,錨索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍較大,不僅僅在緊鄰索體中心有應(yīng)力分布,同時(shí)在整個(gè)托盤平面范圍內(nèi)均有較大程度的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散分布。此時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布特征與圖2中所示的平托盤相比支護(hù)效果有了明顯的提升,對(duì)巷道頂板和幫部煤壁均有著良好的控制作用。

3.2.2支護(hù)材料優(yōu)化

為便于施工,統(tǒng)一采用如下規(guī)格的支護(hù)構(gòu)件。

1)錨桿:采用Φ22 mm(BHRB500)高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,其中,頂錨桿長度L=2.5 m,幫錨桿長度L=2.4 m。

2)錨索:采用Φ21.8 mm、1×19股高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索,錨索長度L=6.4 m,理論錨固長度1 892 mm。

3)W鋼帶:BHW-280-3-2600-800-4 mm兩塊搭接。

4)托盤:錨桿和錨索均采用高強(qiáng)度拱形配套托盤,其中,錨桿托盤尺寸為150 mm×150 mm×10 mm,錨索托盤尺寸為300 mm×300 mm×14 mm。

3.2.3支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

33(4)20回采運(yùn)輸巷支護(hù)設(shè)計(jì)可分為頂板支護(hù)、兩幫支護(hù)兩部分。

1)頂板支護(hù)。圖4為頂板支護(hù)布置圖。

圖4 頂板支護(hù)布置圖Fig.4 Roof support layout

如圖4所示,巷道頂板支護(hù)形式為錨桿、錨索協(xié)同支護(hù),即一排錨桿、一排錨索交錯(cuò)布置,同時(shí)配合使用配套錨桿鋼帶以及金屬網(wǎng)。由圖可知,頂板錨桿布置間距為800 mm,排距為1 000 mm,其中最外側(cè)錨桿距巷道兩幫300 mm,且這兩根錨桿布置時(shí)向外側(cè)傾斜布置,傾角為0～10°,而其余錨桿均豎直布置,錨桿緊固力≥300 N·m。頂板錨索布置方式為“4-3”布置,即一排布置4根,一排布置3根,依此循環(huán)布置；錨索間距均為1 500 mm,排距為1 000 mm;錨索預(yù)緊力≥200 kN,錨固力≥363 kN。

2)兩幫支護(hù)。33(4)20回采運(yùn)輸巷斷面整體支護(hù)布置如圖5所示。

圖5 巷道支護(hù)斷面圖Fig.5 Section view of roadway support

巷道兩幫支護(hù)形式為錨桿支護(hù),配合使用W型護(hù)幫板以及菱形金屬網(wǎng)。巷道幫錨桿均垂直于煤幫安裝布置,布置排距為1 000 mm,布置間距為900 mm。其中最上排錨桿距巷頂400 mm,錨桿緊固力≥300 N·m。

4 工程應(yīng)用與監(jiān)測(cè)

為能夠準(zhǔn)確、具體地驗(yàn)證以上支護(hù)優(yōu)化方案的合理性,在雙柳礦33(4)20試驗(yàn)段巷道展開系列監(jiān)測(cè)來檢驗(yàn)巷道的穩(wěn)定情況。在靠近掘進(jìn)工作面且便于施工及觀測(cè)的區(qū)域內(nèi)沿巷道軸向共計(jì)布置3組測(cè)站,各測(cè)站間距30 m;采用MCS-400礦用本安型錨桿(索)測(cè)力計(jì)對(duì)巷道錨桿、錨索受力變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析；采用YHW-300礦用本安型圍巖位移測(cè)量?jī)x對(duì)巷道頂板離層情況進(jìn)行檢測(cè)分析。圖6所示為試驗(yàn)段巷道某測(cè)站錨索工作載荷變化監(jiān)測(cè)曲線,其中,7#、8#錨索為巷道頂板兩側(cè)錨索,9#錨索為巷道頂板中心錨索。

由圖6可見,7#錨索在監(jiān)測(cè)前一周內(nèi)其工作載荷增長明顯,之后有略微下降并趨于穩(wěn)定;8#與9#錨索在監(jiān)測(cè)前3 d內(nèi)其工作載荷增長明顯,之后呈緩慢增長并逐漸趨于穩(wěn)定。其中,7#-9#錨索在監(jiān)測(cè)期內(nèi)其載荷最終分別穩(wěn)定在222 kN、225 kN、285 kN,而試驗(yàn)段巷道所使用的錨索材料屈服載荷為500 kN,破斷載荷為607 kN,可見,試驗(yàn)段錨索受力合理。同時(shí),據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及觀察,試驗(yàn)段巷道掘出后巷道完整程度較好,圍巖較為穩(wěn)定,完全滿足回采工作面正常采煤生產(chǎn)需要。

圖6 頂板錨索工作載荷監(jiān)測(cè)曲線圖Fig.6 Monitoring graph of working load of roof anchor cables

5 結(jié)論

1)對(duì)于雙柳礦33(4)20工作面巷道斷面大、應(yīng)力高,采用高強(qiáng)錨桿和高預(yù)應(yīng)力錨索是提高巷道支護(hù)強(qiáng)度的有效途徑,通過優(yōu)選支護(hù)參數(shù)可形成可靠支護(hù)結(jié)構(gòu)主體。

2)雙柳礦井下錨桿托盤多為不可調(diào)心托盤,錨索托盤為大平托盤,托盤結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)導(dǎo)致部分錨桿(索)受力較大時(shí)易發(fā)生破斷失效;由此采用拱形托盤替代平托盤,有利于提升錨桿(索)預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散和錨桿(索)的綜合承載能力,實(shí)現(xiàn)錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)。

3)針對(duì)雙柳礦33(4)20大斷面巷道提出了合理的支護(hù)設(shè)計(jì)方案,經(jīng)33(4)20巷道試驗(yàn)應(yīng)用與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),錨桿索受力穩(wěn)定,圍巖變形較小,巷道整體穩(wěn)定性較好。