深井大斷面煤巷底鼓防治技術(shù)

郭軍杰,高新春,王國際

(河南工程學(xué)院安全工程系,河南鄭州 451191)

深井大斷面煤巷底鼓防治技術(shù)

郭軍杰,高新春,王國際

(河南工程學(xué)院安全工程系,河南鄭州 451191)

通過礦壓測量和分析焦煤集團趙固一礦地質(zhì)條件,采用分二次支護的方案,綜合運用高強錨桿錨索、整體U型鋼架和排柱的支護技術(shù),解決了深井大斷面巷道底鼓、變形嚴(yán)重的問題,為類似巷道的施工提供了成功的施工經(jīng)驗。

大斷面巷道;底鼓;二次支護;錨桿錨索

Technology of Floor Heave Prevention of Coal Roadway with Large Section in Deep Mine

河南煤業(yè)化工集團焦作公司趙固一礦位于焦作煤田東部,為新建礦井,屬于深井開采,設(shè)計能力2.4Mt/a。11011工作面區(qū)段平巷沿煤層布置,巷道寬 6m,高 3.5m,開采深度大于 800m,巷道底板條件差,容易鼓起,區(qū)段平巷斷面變形嚴(yán)重,阻礙運輸、通風(fēng)和行人,如不采取有效地控制措施,不僅巷道維修成本大幅增加,嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn),甚至無法保證職工的生命安全。針對該礦具體條件,分析產(chǎn)生底鼓的原因,并探索出一套控制巷道底鼓的綜合措施,達到了較好地支護效果。

1 工作面區(qū)段平巷底鼓機理分析

1.1 11011工作面煤層賦存條件

該礦井初期開采的二1煤層,賦存于山西組下部,全層厚度 1.21～7.1m,平均 6.29m,11011工作面平均煤厚 6.14m,采煤方法為分層綜合機械化開采。二1煤層傾角一般為 2～5°,埋深 780～860m,其層位穩(wěn)定,厚度變化不大,節(jié)理不發(fā)育,結(jié)構(gòu)比較簡單,變化規(guī)律較明顯。

二1煤直接頂厚 3～8m,巖石完整性與穩(wěn)定性均較好,易于控制,巖性有砂質(zhì)泥巖及粉砂巖、泥巖和少部分砂巖,砂質(zhì)泥巖抗壓強度 8.5～23.4MPa,屬半堅硬巖類。零星分布的偽頂厚 0.3～0.5m,隨采隨落?；卷敹酁?8～12m中粗粒砂巖 (大占砂巖),局部變相為砂質(zhì)泥巖,吸水后抗壓強度 15.4～80.5MPa,巖石堅硬,穩(wěn)定性較好。

二1煤層底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,二1煤下部到第一層石灰?guī)r之間厚度 8.32～27.8m,一般10～15m,底板巖層總體完整性較好,但部分泥巖底板有泥化現(xiàn)象。與頂板大占砂巖相對應(yīng),底板有中細粒砂巖,厚 7.8m左右。

泥巖和砂質(zhì)泥巖吸水后強度明顯降低,泥巖干燥狀態(tài)下抗壓強度 24.3～30MPa,吸水后 3.9～12.8MPa,砂質(zhì)泥巖干燥狀態(tài)下強度 13～36MPa,吸水后 6～24MPa。但在長達 10～30d的巖石浸水實驗觀測中,各類巖塊有泥化、崩解現(xiàn)象,顯示了煤層底板巖石遇水發(fā)生變化的特點。

1.2 巷道底鼓原因分析

引起巷道底鼓機理的原因歸納起來主要有：巷道埋深 800m,巷道圍巖應(yīng)力高,巷道掘進后,巷道底板處于自由面狀態(tài),受圍巖應(yīng)力作用,向巷道上方鼓起;巖石具有流變性,底鼓量隨時間延長增加,且變形量大;巷道兩幫在垂直應(yīng)力作用下擠壓底板,使底板受水平應(yīng)力作用從而導(dǎo)致巷道底鼓;水對底板的作用,尤其底板為黏土類巖石,遇水后體積膨脹,導(dǎo)致圍巖強度降低、易崩解、破碎;巷道凈寬大,圍巖支承應(yīng)力高。

2 控制底鼓技術(shù)措施

在控制深部大斷面煤巷底鼓技術(shù)中,采取二次支護技術(shù)措施。即,在綜掘機開挖巷道后,就進行第 1次支護,采用錨網(wǎng)、鋼梁、錨索支護;然后在第 1次支護的基礎(chǔ)上,再進行第 2次支護,主要采用U型鋼 (U型鋼用連接件連接成近似橢圓形)+排柱 +矸石進行支護。第 1次支護是關(guān)鍵,通過錨網(wǎng)、鋼梁、錨索的主動支護作用,使兩幫和頂板分別保持各自的整體性,提高頂板和兩幫圍巖的自承能力,并保證第 2次支護的空間。第 2次支護是通過U型鋼架把頂板、兩幫和底板形成一個整體,防止巷道出現(xiàn)底鼓、片幫和冒頂現(xiàn)象。2次支護結(jié)合了主動支護和被動支護各自優(yōu)點,并都有各自的關(guān)鍵的支護技術(shù),這是保證巷道工程質(zhì)量及支護效果良好的關(guān)鍵。巷道支護見圖 1。

圖1 防治底鼓支護

2.1 第 1次支護的關(guān)鍵技術(shù)

(1)巷道兩幫采用高強錨桿 +鋼絲網(wǎng) +大托盤支護技術(shù) 采用直徑為 22mm專用螺紋鋼加工而成的高強度錨桿,長度為2200mm,間排距為700mm×700mm,托盤采用 350mm×350mm×10mm大托盤。用 2支樹脂錨固劑,型號為 K2335。錨桿使用配套標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固,螺母扭矩150～200N·m。預(yù)緊力 80～100kN。大托盤可以增大護幫面積,充分發(fā)揮錨桿支護性能,從而提高兩幫巖體強度。

(2)頂板采用高強錨桿 +大托盤 +錨索 +鋼梁支護技術(shù) 為了提高頂板的承載能力,不僅采用了高強錨桿 +大托盤支護技術(shù),而且采用錨索 +鋼梁支護技術(shù)。錨桿支護參數(shù)同兩幫一樣。錨索 +鋼梁支護參數(shù)為：錨索采用高強度低松弛 7芯鋼絞線,公稱直徑為 15.24mm,長度為 6300mm,延伸率≥3.5%,間排距為 1500mm×2100mm,采用 3支錨固劑,1支 K2335,2支 Z2360,預(yù)緊力達到100 kN以上,外露長度不超過 300mm;鋼梁采用11號礦用工字鋼,每根鋼梁帶 4根錨索。該支護方式增大頂板支護強度和支護表面積,減少頂板壓力通過兩幫向底板傳遞。

2.2 第 2次支護的關(guān)鍵技術(shù)

由于主要運輸大巷煤層底板巖石是泥巖和砂質(zhì)泥巖,吸水后強度明顯降低,巖塊有泥化、崩解現(xiàn)象。如果不對巷道底板進行處理,巷道掘成不久,就會發(fā)生底鼓現(xiàn)象,導(dǎo)致巷道斷面縮小,阻礙運輸和行人,妨礙礦井通風(fēng)。因此,不得不投入大量人力、物力和資金進行巷道維修工作,甚至造成整條巷道報廢,嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)與安全。為了避免正常生產(chǎn)期間大量的巷道維修工作量,需對巷道底板進行處理。主要采用 U29型鋼 (U型鋼用連接件連接成近似橢圓形)+排柱 +矸石進行支護。

(1)整體 U29型鋼支護技術(shù) U29型鋼通過連接件形成一個近似橢圓形的鋼架結(jié)構(gòu),即包括頂部弧形拱、底部弧形拱和中間的柱腿。頂部弧形拱支護頂板不下沉,底部弧形拱防止底板鼓起,中間柱腿防止兩幫片幫。U29型鋼架外側(cè)與圍巖空隙部分用裝有矸石和煤炭的編織袋充填,為了防止編織袋從鋼架之間垮落,在 U29型鋼架外側(cè)附有一層大孔眼的鋼絲網(wǎng)。底部弧形拱上方也是充填裝有矸石和煤炭的編織袋,編織袋上方再鋪一層厚厚的矸石,矸石和煤炭可以就地取材。

(2)增加排柱技術(shù) 由于巷道斷面比較大,巷道的跨度也較大,同時也為了提高 U29型鋼架的支護強度,因此,在巷道中間增加 1排單體液壓支柱,單體液壓柱間距與 U29型鋼架間距一致,單體液壓支柱穿有鋼鞋。

3 礦壓監(jiān)測結(jié)果及分析

為監(jiān)測巷道圍巖的變形,建立監(jiān)測站進行礦壓觀測,巷道表面位移累計變化曲線如圖 2所示。經(jīng)連續(xù)觀測 75d后,測站處巷道已趨于穩(wěn)定,測得頂板下沉最大值為 135mm,底鼓最大值為 154mm,兩幫移近量最大值 215mm。變形量在設(shè)計要求范圍之內(nèi),說明二次支護技術(shù)措施是科學(xué)、可行的。

圖2 巷道表面位移累計量

4 結(jié)論

通過使用二次支護控制底鼓的措施,巷道底鼓現(xiàn)象得到明顯地控制,斷面變形小,能夠滿足行人、通風(fēng)、運輸和安裝設(shè)施的需要。礦壓觀測表明二次支護措施是正確的,并取得了預(yù)期效果。總結(jié)經(jīng)驗如下：

(1)加強對巷道應(yīng)力、變形、破壞的監(jiān)測。

(2)通過采用大托盤,鋼梁,高強錨桿,錨索和錨網(wǎng)聯(lián)合支護,增強深部巷道頂幫錨桿錨索聯(lián)合支護強度,提高巷道頂板和兩幫的自承能力,減弱礦壓對底板巖層的破壞作用。

(3)采用U型鋼架 +金屬網(wǎng) +充填編織袋支護方法工效高,底板控制效果好,而且減少了處理矸石的費用。

(4)單體液壓排柱是防治大斷面巷道底鼓、變形的關(guān)鍵技術(shù)。單體液壓排柱不僅提高了 U型鋼架的整體強度,還有效地抵消了使底板鼓起的圍巖應(yīng)力。另外,單體液壓排柱雖然把大斷面巷道分成 2個區(qū)域,但對巷道的有效斷面影響卻很小。

(5)根據(jù)巷道的地質(zhì)條件、施工工藝以及有關(guān)因素因地制宜地合理選擇二次支護方式,有效地控制巷道底鼓難題,為類似巷道施工提供成功的施工經(jīng)驗。

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[責(zé)任編輯：于海湧 ]

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1006-6225(2011)01-0074-02

2010-09-20

郭軍杰 (1978-),男,河南唐河人,碩士,講師,從事煤礦方面教學(xué)和科研。