杜兒坪礦73907膠帶巷超前支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

王 坤

(山西焦煤西山煤電杜兒坪礦,山西 太原 030000)

回采巷道圍巖穩(wěn)定性作為影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素,特別是超前支護(hù),采動(dòng)會(huì)明顯增加圍巖應(yīng)力,使巷道頂板、兩幫發(fā)生變形,嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。我國(guó)煤礦回采巷道超前支護(hù)普遍采用單體液壓支柱配合π梁的被動(dòng)支護(hù)方式,但對(duì)控制回采巷道圍巖變形效果不佳,同時(shí),存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等問(wèn)題。

目前,對(duì)回采巷道超前支護(hù)方式的研究總體上分為3種,即超前支架、單體支柱、注漿錨索。超前支架作為大型綜采工作面超前支護(hù)的重要方式,對(duì)控制巷道頂板起到一定作用[1],但受地質(zhì)條件限制,應(yīng)用范圍小、控制兩幫位移量效果不佳。單體支柱使用最為廣泛,但實(shí)際效果不明顯。注漿錨索作為主動(dòng)支護(hù)方式,受到了諸多學(xué)者的關(guān)注,主要研究了注漿錨索受力特征[2-3]、數(shù)值模擬[4-6]、作用機(jī)制以及動(dòng)力學(xué)研究等方面[7-8],對(duì)其在沿空留巷、加固大巷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等進(jìn)行分析[9-11],關(guān)于理論分析與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相結(jié)合的研究較為缺乏。

為解決回采巷道超前支護(hù)問(wèn)題,同時(shí)提高支護(hù)效果及效率,本文對(duì)杜兒坪礦73907 工作面膠帶巷進(jìn)行分析,運(yùn)用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相結(jié)合的方式,以實(shí)現(xiàn)對(duì)回采巷道圍巖變形控制的目的。

1 錨巖體支護(hù)應(yīng)力分析

1.1 三維模型建立

根據(jù)巷道煤巖情況,運(yùn)用PROE三維建模軟件,建立相應(yīng)煤巖三維模型,模型尺寸:長(zhǎng)×寬×高=15 m×10 m×7.9 m,網(wǎng)格單元0.1 m,具體見圖1.

圖1 煤巖三維模型

1.2 應(yīng)力分析

錨桿(索)預(yù)緊力效果直接關(guān)系錨巖支護(hù)效果,即巷道支護(hù)核心為預(yù)緊力,與此同時(shí),保證預(yù)緊力得到有效擴(kuò)散。此外,錨巖支護(hù)應(yīng)具備良好的延伸性,保證回采過(guò)程中圍巖變形得以釋放。所以,為有效控制73907膠帶巷圍巖變形,確保注漿錨索最佳支護(hù)效果,本文對(duì)錨索預(yù)緊力、間排距以及錨索長(zhǎng)度進(jìn)行分析,錨索直徑均為21.6 mm.

1) 錨索預(yù)緊力分析。錨索預(yù)緊力方案對(duì)比見圖1.

表1 錨索預(yù)緊力方案對(duì)比

由圖2、圖3可以得到,隨著錨索預(yù)緊力的增大,頂板發(fā)生變形的同時(shí),應(yīng)力擴(kuò)散效果增強(qiáng),且當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到200 kN時(shí),在錨索錨固端形成了較好的應(yīng)力區(qū)域,巷道圍巖穩(wěn)定性得以提高,在回采過(guò)程中,可以降低因采動(dòng)影響產(chǎn)生的圍巖變形,有效改善巷道超前支護(hù)效果。

圖2 巷道垂直應(yīng)力效果

圖3 巷道垂直應(yīng)力剖面效果

2) 錨索間排距分析。錨索間排距方案對(duì)比見表2.

表2 錨索間排距方案對(duì)比

由圖4、圖5可以得到,隨著錨索間排距的增大,頂板應(yīng)力集中發(fā)生變化,其中當(dāng)間排距為1 500 mm×900 mm,在頂板巖體中形成良好的應(yīng)力區(qū)域,當(dāng)間排距增加到1 800 mm×900 mm時(shí),各排錨索之間壓力分散更為均勻,圍巖穩(wěn)定性越高,而間排距為1 800 mm×1 800 mm時(shí),盡管形成了應(yīng)力分布區(qū)域,但應(yīng)力分布不均勻,因此,當(dāng)錨索排距為1 800 mm×900 mm時(shí),可達(dá)到最佳支護(hù)效果。

圖4 巷道垂直應(yīng)力效果

圖5 巷道垂直應(yīng)力剖面效果

3) 錨索長(zhǎng)度分析。錨索長(zhǎng)度方案對(duì)比見表3.

表3 錨索長(zhǎng)度方案對(duì)比

由圖6、圖7可以得到,在錨索預(yù)緊力、間排距相同條件下,隨著錨索長(zhǎng)度的增加,頂板應(yīng)力得以擴(kuò)散,且應(yīng)力值逐漸增加,當(dāng)錨索長(zhǎng)度為3 300 mm時(shí),頂板所承受的壓應(yīng)力比較小,錨索長(zhǎng)度為6 300 mm時(shí),頂板壓應(yīng)力相對(duì)較大,形成了應(yīng)力區(qū)域,但應(yīng)力值相差較大,頂板受力不均勻,錨索長(zhǎng)度選用5 300 mm時(shí),頂板應(yīng)力分布比較均勻,形成較為穩(wěn)定的巖體,因此,錨索長(zhǎng)度取5 300 mm最為合理。

圖6 巷道垂直應(yīng)力效果

綜上所述,當(dāng)錨索預(yù)緊力為200 kN,間排距1 800 mm×900 mm,長(zhǎng)度5 300 mm時(shí),錨索可以在巖體中形成最佳的應(yīng)力分布,達(dá)到最佳支護(hù)效果,對(duì)維護(hù)圍巖穩(wěn)定性、提高巷道超前支護(hù)效果產(chǎn)生積極影響。

2 工程概況

2.1 工作面概況

73907工作面位于南九上組煤盤區(qū),北接南九2號(hào)煤膠帶巷,南鄰杜兒坪斷層,東側(cè)為73907工作面采空區(qū),西部為實(shí)體煤,工作面上部為72907采空區(qū)。73907工作面回采3號(hào)煤,工作面內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定,煤層埋深562 m,平均厚度3.40 m,傾角5°,工作面傾斜長(zhǎng)度190 m,可采走向長(zhǎng)度1 062 m.煤層頂?shù)装迩闆r見表4.

表4 3號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r

2.2 巷道支護(hù)情況

膠帶巷為矩形斷面,頂板均采用“錨桿+鋼帶+錨索+六角金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式;兩幫采用“錨桿+六角金屬網(wǎng)支護(hù)”。巷道斷面支護(hù)、支護(hù)材料分別見圖8、表5.

表5 支護(hù)材料明細(xì)

圖8 巷道斷面支護(hù)圖(單位:mm)

2.3 膠帶巷超前支護(hù)

圖9為73907工作面采用單體液壓支柱配合π梁進(jìn)行超前支護(hù),支護(hù)距離30 m,但從現(xiàn)場(chǎng)了解到,其對(duì)控制巷道變形效果不理想,存在人工作業(yè)強(qiáng)度大、效率低等問(wèn)題,為此結(jié)合我國(guó)采煤智能化理念,提出變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù),即注漿錨索支護(hù)。

圖9 膠帶巷超前支護(hù)圖(單位:mm)

3 支護(hù)機(jī)理與施工工藝

3.1 注漿錨索支護(hù)原理

注漿錨索屬于主動(dòng)支護(hù),完美融合了錨索支護(hù)、注漿技術(shù)。漿液在破碎圍巖間隙中不斷擴(kuò)散的同時(shí),利用自身膠結(jié)力,固結(jié)周圍破碎、松散巖層。一方面錨索安裝后能夠及時(shí)施加預(yù)緊力,為圍巖提供支護(hù)阻力;另一方面實(shí)現(xiàn)了錨索全長(zhǎng)錨固,提高了巷道圍巖整體性、強(qiáng)度以及自承能力,對(duì)控制巷道圍巖變形,提高圍巖穩(wěn)定性發(fā)揮著不可代替的作用。

3.2 施工工藝

3.2.1 施工參數(shù)

73907回采工作面3號(hào)煤層頂板包括2.65 m的粉砂巖直接頂和5.25 m的K6中砂巖老頂,根據(jù)巷道支護(hù)要求,錨索錨固段必須位于穩(wěn)定巖層,最終確定注漿錨索規(guī)格為Φ22 mm×L5 300 mm.

3.2.2 注漿參數(shù)

注漿材料質(zhì)量配比為m(水)∶m(水泥)∶m(注漿劑)=1∶0.5∶0.1,注漿泵型號(hào)ZBQ-25/5,工作氣壓0.5 MPa,排漿壓力0～5 MPa.

3.2.3 施工步驟

1) 使用Φ30 mm鉆頭鉆錨索孔,孔深比鋼絞線長(zhǎng)度少350 mm,并將孔內(nèi)的巖粉用水或風(fēng)清理干凈;

2) 將樹脂錨固劑推到孔底,開動(dòng)錨桿鉆機(jī)邊攪拌邊推進(jìn)直至孔底,攪拌時(shí)間不低于45 s,等待樹脂錨固劑凝固后再落下鉆機(jī),卸下攪拌連接器,完成錨索的錨固;

3) 依次安裝止?jié){塞、托盤、錨具,并用張拉機(jī)具張拉,保證預(yù)緊力不低于200 kN;

4) 用注漿接頭連接注漿聯(lián)接口和注漿機(jī);配備注漿液,邊加入水泥邊攪拌,攪拌轉(zhuǎn)速不小于100 r/min,保證漿料混合均勻后,開始注漿,直至錨索孔口持續(xù)出漿或注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值為止(對(duì)于頂板破碎有漏液情況,可分2～3次注漿)。

4 注漿錨索應(yīng)用與支護(hù)效果分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)

為驗(yàn)證注漿錨索超前支護(hù)效果,分三個(gè)階段進(jìn)行驗(yàn)證,支護(hù)區(qū)域如圖10所示,其中,超前支護(hù)第Ⅰ階段采用單體液壓支柱;第Ⅱ階段采用單體液壓支柱、注漿錨索;第Ⅲ階段均采用注漿錨索,三階段支護(hù)長(zhǎng)度均為30 m,錨索規(guī)格Φ22 mm×L5 300 mm,間排距為1 800 mm×1 400 mm,每排打設(shè)兩根,超前支護(hù)平面圖、現(xiàn)場(chǎng)施圖分別如圖11、圖12所示。

圖10 注漿錨索支護(hù)區(qū)域

圖11 支護(hù)平面圖(單位:mm)

圖12 現(xiàn)場(chǎng)施圖

4.2 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)注漿錨索應(yīng)用效果,運(yùn)用“十字觀測(cè)法”對(duì)施工段巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),在第Ⅰ階段、第Ⅱ階段以及第Ⅲ階段各布置1個(gè)觀測(cè)站,每個(gè)觀測(cè)站設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn),依次為1號(hào)至9號(hào)測(cè)點(diǎn),對(duì)各測(cè)點(diǎn)表面位移量進(jìn)行觀測(cè),以此判斷圍巖變形程度,觀測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示。

圖13 觀測(cè)點(diǎn)布置圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),整理各觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),分別見圖14、圖15、圖16.

圖14 第Ⅰ階段圍巖位移觀測(cè)曲線

圖15 第Ⅱ階段圍巖位移觀測(cè)曲線

圖16 第Ⅲ階段圍巖位移觀測(cè)曲線

由圖14得知,超前支護(hù)采用單體液壓支護(hù)方式,位移量大小為采幫>頂板>非采幫,三者位移量隨距工作面距離的增加而減小。靠近工作面位置,三者位移量最大,分別為225 mm、145 mm、95 mm;距工作面50 m位置,三者位移量最小,分別為32 mm、12 mm、10 mm.

由圖15得知,超前支護(hù)采用單體液壓支柱、注漿錨索聯(lián)合支護(hù)的方式,位移量大小為采幫>頂板>非采幫?？拷ぷ髅嫖恢萌呶灰屏孔畲?分別為112 mm、86 mm、48 mm;距工作面50 m位置位移量最小,分別為13 mm、7 mm、4 mm.

由圖16得知,超前支護(hù)采用注漿錨索支護(hù)的方式,位移量大小為采幫>頂板>非采幫?？拷ぷ髅嫖恢萌呶灰屏孔畲?分別為175 mm、95 mm、65 mm;距工作面50 m位置位移量最小,分別為11 mm、9 mm、6 mm.

以上結(jié)果表明:受工作面采動(dòng)影響,巷道圍巖會(huì)發(fā)生一定的變形,但頂板、兩幫變形量滿足圍巖變形安全要求值,斷面尺寸滿足回采要求,注漿錨索支柱效果較單體液壓支柱好,能夠有效控制巷道圍巖穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)錨巖體應(yīng)力分析,當(dāng)錨索預(yù)緊力為200 kN,間排距900 mm×1 800 mm,長(zhǎng)度5 300 mm時(shí),錨索可以在巖體中形成最佳應(yīng)力分布,實(shí)現(xiàn)最佳支護(hù)效果。

2) 通過(guò)在杜兒坪礦73907膠帶巷運(yùn)用注漿錨索技術(shù),靠近工作面位置圍巖位移量最大,即采幫、頂板、非采幫位移量分別為175 mm、95 mm、65 mm;距工作面50 m位置圍巖位移量最小,分別為11 mm、9 mm、6 mm.因此,注漿錨索加固技術(shù)對(duì)控制回采巷道圍巖變形效果明顯。