東河煤礦恒阻錨索治理復合型頂板推廣應用研究

何永強

(晉能控股煤業集團 太原煤氣化公司東河煤礦,山西 臨汾 041200)

復合型頂板亦稱為離層型頂板,隨著煤炭行業的不斷發展,復合型頂板在煤礦實際生產過程中難于管理,發生頂板事故較多。另外,自2007年國土資源部首次提出“堅持科學發展,推動綠色礦山”以來,建設綠色礦山、發展綠色礦業已成為國家礦業界共同的行動綱領和發展目標。針對當前煤炭形式,加強頂板治理將是重中之重。本文通過恒阻錨索在東河煤礦頂板管理方面的技術應用實例,論述了其科學合理性,同時消除了頂板管理安全隱患,起到節本提效的作用[1-2]。

針對霍西煤田東河煤礦中厚煤層復合頂板條件復雜多變的特性,建立了巷道頂板分區方法,進行了全巷道頂板巖性結構探測分析,提出了不同頂板條件下恒阻錨索支護高度、切縫鉆孔深度、切縫鉆孔角度、裝藥結構、留巷頂板臨時支護及擋矸支護參數的設計方法。

1 工程概況

東河煤礦2#煤層區域劃分屬霍西煤田,礦井技術改造升級后產能為90萬t/a,2#煤為三分之一焦煤。其礦井地質構造相對簡單,為低瓦斯礦井。煤層、煤塵均有爆炸危險性,同時煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類自燃煤層；煤層厚度平均1.60 m,直接頂為砂質泥巖、泥巖。根據頂底板巖石物理力學性質測試結果,泥巖抗壓強度為21.4～90.0 MPa,平均66.2 MPa；抗拉強度為1.4～2.8 MPa,平均2.10 MPa,屬軟弱-堅硬巖石。砂質泥巖抗壓強度為132.5～147.6 MPa,抗拉強度為2.3～2.7 MPa,平均2.10 MPa,屬較堅硬巖石。其中，2206工作面埋深平均160 m；切眼長度190 m；切眼至停采線長度(留巷長度)425 m；工作面煤層傾角0°～5°,平均3°；煤層平均厚度為1.90 m；巷道沿煤層底板掘進施工,設計巷道斷面為矩形布置,掘進巷道斷面巷毛高2.4 m,巷道毛寬3.8 m,凈斷面巷道高度2.2 m,巷道寬度3.6 m。如圖1所示。

圖1 東河煤礦2206工作面沿空留巷巷道位置布置

2 恒阻錨索對復合頂板的控制

在對東河煤礦井下地質條件充分研究的基礎上,分析2206工作面巷道頂板每個巖層的性質特點,以及采用傳統錨-網-索支護所帶來的巷道受力擠壓變化。相對比較新型錨索的性質特征和構造特點[3],通過分析研判,充分了解掌握傳統錨-網-索支護工藝特點、新型錨索支護短板與利弊點。在采用沿空留巷無煤柱開采(110工法)技術后,要使巷道靠近采空區應力傳遞重新分布[4],必須沿靠近煤幫采用水力切頂或采取定向爆破切頂,通過對巷道靠近采煤面頂板深度切縫后,伴隨工作面回采,直接頂垮落堆積,通過巷幫29#U型鋼擋矸,能夠按照設計要求形成下一工作面的順槽巷道。在頂板垮落過程中,巷內支護必須達到一定的強度才能保證留巷的穩定性,避免留巷初期頂板的快速下沉;同時需對中厚煤層復合頂板條件開采切頂卸壓自動成巷巷內支護和巷旁支護相關的設備配套進行研究[1],如圖2和圖3所示。

圖2 2206工作面順槽頂板窺孔圖

圖3 2206運輸順槽頂板鉆孔巖性分布示意圖

采場進行頂板預裂爆破后形成切頂短臂梁結構,受采場上覆巖層運動及二次采動的影響,巷道頂板勢必出現圍巖大變形。傳統的巷道支護技術無法滿足巷道頂板的圍巖大變形，尤其是受采空區上覆巖層應力傳遞的影響,切頂后的巷道頂板必然會有較大的變形量,恒阻大變形錨索能夠忍受圍巖的大變形,保證了巷道的穩定性[5]。

3 恒阻錨索對沿空留巷頂板的現場應用分析

3.1 回采巷道順槽頂板穩定性

采用沿空留巷必須首先保證回采初期工作面巷道順槽頂板完整穩定,能夠防止跨冒、漏頂隱患危險的發生[2]。采用恒阻錨索在2206工作面運輸順槽沿空留巷前期進行二次主動支護,實現2206工作面運輸順槽恒阻錨索配合W鋼帶全巷道整體支護,進一步提升2#煤層砂質泥巖頂板在實體煤側的抗彎抵抗力,使頂板離層和錯動在可控范圍內發生,從而有效杜絕受周期壓力影響而導致的巷道冒頂。順槽巷道發生一定形變時,恒阻錨索通過恒阻器產生動作,有效釋放巷道形變能量,同時錨固支護阻力依然維持在相對穩定狀態,實現了2206運輸順槽可控范圍內的巷道形變,有效避免了頂板事故的發生。

3.1.1原有巷道支護形式

2206運輸巷巷道頂板主動支護為錨桿配合錨索和鋼筋網的聯合支護,頂板支護沿巷道方向共設置5列,中間3列與巷道頂板沿水平呈90°夾角,靠巷道兩幫與巷道水平呈75°夾角,配備鐵制底托板;頂板每隔3.2 m在巷道中心線打1根錨索;巷道兩幫同樣采用圓鋼錨桿配合金屬網聯合支護,錨索支護形式采用五花布置。當受地質構造引起頂板破碎時,通過縮小支護間排距重新掛網補強支護。巷道支護如圖4和圖5所示。

圖4 2206運輸順槽原始巷道斷面支護圖

圖5 2206運輸順槽原始掘進現場支護布置圖

3.1.2恒阻錨索二次主動補強支護要求

恒阻錨索沿2206運輸順槽巷道方向共布置2列,第1列恒阻錨索沿順槽切縫線法線方向600 mm布置,排間距800 mm;第2列沿中線布設,排距1 600 mm;靠切縫線側第1列錨索全部配合W鋼帶聯合支護,經綜合分析研判,錨索采用礦方提供的直徑為21.8 mm的鋼絞線,專用恒阻器設計長度為500 mm,恒阻器外徑設計尺寸為72 mm,要求現場支護恒阻值為294～343 kN,預緊力不小于245 kN。錨索鋼絞線長度為10.3 m,恒阻錨索支護如圖6和圖7所示。

圖6 恒阻錨索補強支護剖面圖

圖7 恒阻錨索補強支護平面圖

3.2 高效退錨恒阻錨索措施

沿空留巷(2206運輸順槽)留出的順槽巷道服務于下一個工作面(2202工作面)后,在沿空留巷順槽內回采(2202工作面)推進時,由于巷道順槽整體支護要使尾巷跟隨工作面周期來壓垮落,不出現大面積懸頂,在巷道原有支護常規退錨的基礎上,必須對恒阻錨索進行退錨作業。如何做到既提高工作效率,降低工人勞動強度,還能及時退錨恒阻錨索,是頂板治理需要解決的又一項技術問題。

恒阻錨索分別由恒阻器、錨索體、托盤和螺母組成,如圖8所示[4]。圖中說明如下：

(a)恒阻器結構圖

1)錨索選用Φ21.8 mm×10.3 m恒阻錨索;

2)樹脂藥卷采用MSCK2360型錨固劑3卷;

3)W鋼帶規格為2 200 mm×280 mm×3 mm;

4)錨索托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm的鋼板;

5)恒阻器規格為HZS35-300-0.5,直徑為72 mm;

6)錨具規格21.8型。

根據靜態拉伸實驗對恒阻錨索拉力干預所得結果(圖9)[3]顯示,在力的相互作用干預下,其工作阻力開始逐漸升高,恒阻器進行動作并出現滑移形變,直至恒定阻力處于一段相對穩定狀態,達到其恒阻作用階段,恒定阻力穩定狀態在恒阻器外鎖具滑移330～410 mm后發生急劇變化,因此要求在實際使用現場其工作阻力在300～350 kN。恒阻錨索支護現場如圖10所示。

圖9 靜態作用力拉伸曲線圖

根據作用力與反作用力原理,通過認真分析恒阻錨索靜力拉伸實驗曲線[5],結合現場多次反復實踐,確定采用TQ22-400/63型錨索張拉泵進行預緊力干預,如圖11所示。

圖10 恒阻錨索現場支護圖

圖11 恒阻器力學模型

選用TQ22-500型張拉泵超過錨索錨固極值,順利實現2202工作面沿空留巷順槽全部退錨,確保順槽尾巷隨回采推進及時垮落,同時將實現材料復用回收,如圖12所示。

圖12 2206運輸順槽預緊力拉伸

3.3 恒阻錨索載荷情況

通過實驗，在錨索端部施加外圍干預作用力，使其位移發生變化并進行監測,從而能夠直觀觀測到恒阻錨索支護方式在支護頂板過程中的載荷情況,為施工作業現場提供詳實可靠的支護參數,再次干預巷道的圍巖控制形變量,確保其支護可靠有效[6]。具體布置情況如圖13所示。

圖13 2206工作面礦壓監測布置示意圖

2206工作面沿空留巷回采推進前,首先由技術人員對巷道及工作面的變形和受力情況進行全過程監測,回采工作面每間隔12 m對支架壓力進行監測。2206留巷順槽內重點對巷幫、頂板、底板的移近量進行監測,同時重點監測恒阻錨索受力情況,切眼后200 m范圍內共布置10個監測點,切眼外每一個監測點相距50 m左右,重點監測錨索錨固力和錨索載荷。人工實地測量監測與檢測設備相互進行比對監測,充分掌握錨索及恒阻器的工作狀況[6]。具體檢測結果如下。

1)伴隨著2202回采工作面的回采持續推進,頂板集中應力不斷傳遞,根據現場實地觀測統計,集中應力超前影響范圍為30～33 m,平均32 m,如圖14所示。

圖14 恒阻錨索現場變形量觀測

2)回采工作面留巷順槽尾巷約在25 m范圍內,受工作面周期來壓影響頂板周期垮落,集中應力重新分布,錨索應力逐漸減小;尾巷后約60～75 m范圍,隨著回采工作面推進速度加快,出現新的應力波動,最終趨于穩定,如表1所示。

表1 錨索應力變化關鍵位置及最大拉應力

3.4 頂板離層變化情況

通過對2206運輸順槽頂板離層變化規律進行分析發現,工作面推進速率對巷道頂板離層產生的直接影響一般處于超前25～30 m范圍內。根據觀測數據(表2),工作面切眼超前支護15～20 m巷道頂板出現離層現象。滯后工作面100 m范圍內,頂板離層變化量相對較大,工作面回采過后,頂板離層值趨于穩定時滯后工作面的距離分別為41 m、96 m、47 m、144 m和98 m。通過觀察頂板,相對穩定位置為滯后工作面140～150 m處。

表2 工作面回采推進影響頂板離層變化情況

3.5 留巷效果

通過恒阻錨索在東河煤礦2206運輸順槽的實踐應用,研究了傳統留設煤柱與沿空留巷所反映出巷道頂板應力的分布規律,以及沿空留巷技術方法選擇的合理性。通過現場實驗進一步驗證了恒阻錨索在頂板治理過程中的關鍵作用(圖15),從根本上防治了礦井因為留設煤柱帶來巷道鼓幫、應力集中引起的下順槽巷道維護困難等技術難題,解決了因掘進導致接續緊張問題,實現了延長礦井年限及無煤柱高回收率開采。

圖15 2206工作面運輸順槽沿空留巷效果

通過礦壓監測可知,采用恒阻錨索支護控制2206回采工作面順槽頂板沿空留巷切頂影響區較留設煤柱即121工法區,平均壓力減小4.2 MPa,降低了17.1%,影響范圍30 m。通過巷道離層、頂底板及兩幫位移、錨索與支柱受力及活柱縮量的觀測,得到工作面超前應力產生影響范圍約30 m;當滯后工作面距離大于約160 m后,巷道頂板離層、錨索應力、液壓單體支柱與頂板下沉量趨于穩定。當滯后工作面距離大于160 m后,巷道圍巖基本穩定。

4 結論

1)通過恒阻錨索在東河煤礦2206回采工作面的現場實驗,證實了該技術在東河煤礦實施沿空留巷無煤柱開采過程中取得了預期效果。根據現場采集頂板壓力數據分析,此支護工藝可推廣應用至掘進、開拓巷道過地質構造、大斷面丁型巷道掘進開口頂板跨度大于8 m等加強支護區域。

2)2019年9月東河煤礦首先在二采區2206工作面運輸順槽實施沿空留巷無煤柱開采新技術,經過一年來的現場試驗研究,水力或定向爆破提前對直接頂頂板進行深孔切縫,伴隨回采推進礦井周期來壓,留巷順槽內經過整體護幫及二次頂板主動支護,順利留巷425 m,實現了真正意義的無煤柱開采。

3)自2019年9月開始實驗論證,截止2021年2月24日，2202工作面安全順利回采結束,成功留巷425 m；同時2202回采工作面回采推進過程中，沿空留巷順槽(2206運輸順槽)經過恒阻錨索退錨后，能夠伴隨周期來壓全部垮落,避免了因恒阻錨索整體支護造成的懸頂面積過大等隱患的發生。