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    石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板弱化與巷道支護(hù)研究

    2020-09-18 06:54:56陳廣帥李中偉張小康
    陜西煤炭 2020年5期
    關(guān)鍵詞:錨索錨桿頂板

    陳廣帥,李中偉,張小康

    (1.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院,山西 霍州 031400;2.天地科技股份有限公司,北京 100000)

    0 引言

    店坪煤礦直接頂為L1石灰?guī)r(以下簡(jiǎn)稱石灰?guī)r)堅(jiān)硬頂板的巷道存在掘進(jìn)速度緩慢、支護(hù)成本高,嚴(yán)重影響采掘銜接等問題。提出降低頂板支護(hù)密度的初始設(shè)計(jì)。以期通過巷道錨桿支護(hù)改革實(shí)現(xiàn)在保證巷道支護(hù)安全的前提下,達(dá)到提高巷道掘進(jìn)速度、降低巷道支護(hù)成本的目的[1-3]。石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板煤層開采后可在采空區(qū)形成大面積懸頂,造成很大的安全隱患[4-6]。為有效控制采空區(qū)堅(jiān)硬難垮落頂板,必須改變頂板的物理力學(xué)性質(zhì),減小懸露面積,防止大面積頂板來壓,目前主要形成了頂板注水和爆破弱化技術(shù)[7-9],其中爆破手段可以增大裂隙范圍,破壞巖體的整體性,從而使頂板容易垮落。在煤巖控制爆破研究基礎(chǔ)上,將聚能斷裂理論引入巖石爆破,通過定向切割實(shí)現(xiàn)頂板垮落,為堅(jiān)硬頂板弱化提供技術(shù)途徑。

    1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

    在9-201工作面附近進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試,目的是掌握試驗(yàn)工作面圍巖基礎(chǔ)參數(shù)。地質(zhì)力學(xué)測(cè)試包括頂板巖層結(jié)構(gòu)窺視、巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)試和地應(yīng)力測(cè)量[10-13]。進(jìn)行兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試工作,第1個(gè)測(cè)點(diǎn)位于9-201工作面旁邊830回風(fēng)巷內(nèi);第2個(gè)測(cè)點(diǎn)位于9-2012巷內(nèi),距離巷道開口80 m。

    1.1 圍巖結(jié)構(gòu)觀察及分析

    通過窺視結(jié)果可以得到:第1個(gè)測(cè)點(diǎn)在830回風(fēng)巷內(nèi),830回風(fēng)巷沿10號(hào)煤掘進(jìn),頂板0~7.8 m為10號(hào)煤與9號(hào)煤間巖層。7.8~10.3 m為9號(hào)煤,黑色,發(fā)亮。10.3~21.4 m為L1灰?guī)r,灰-灰白色,裂隙發(fā)育,其中在11 m、11.2 m、11.3 m、11.6 m、12.4 m、15.3 m、17.3 m、17.4 m、17.7 m、19.8 m、20.9 m和21.2 m處為橫向裂隙,15.4~17.3 m段較完整,17.7~18.8 m段裂隙發(fā)育,19.8~20.8 m段較完整。

    第2測(cè)站9-2012巷內(nèi),巷道已掘進(jìn)80 m,在距迎頭15 m處施工頂板鉆孔,查看頂板巖層情況,查看結(jié)果為1~4 m為L1灰?guī)r,4~5.5 m為泥巖夾層,5.5~8 m為灰?guī)r,除0~1 m外其余灰?guī)r段每米鉆孔時(shí)間均在10 min以上?;?guī)r頂板平整,局部有裂隙水滴落。

    1.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試及分析

    采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置,在窺視鉆孔內(nèi)對(duì)巷道頂板10 m范圍煤巖層強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、分析和換算后,得到測(cè)站頂板煤巖體強(qiáng)度分布特征,對(duì)照兩個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板10 m以下強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,得到以下基本結(jié)論:9號(hào)煤層強(qiáng)度平均值為13.72 MPa,強(qiáng)度相對(duì)較高;灰?guī)r強(qiáng)度平均值為88.39 MPa,頂板堅(jiān)硬,錨桿鉆機(jī)施工難度較大。

    1.3 地應(yīng)力測(cè)量及分析

    通過對(duì)店坪煤礦進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料綜合分析可以得到:9-201工作面附近最大水平主應(yīng)力9.81 MPa,垂直主應(yīng)力6.89 MPa,巷道頂板有強(qiáng)度較大的灰?guī)r,幫部煤體強(qiáng)度較大,因此地應(yīng)力量值對(duì)巷道支護(hù)的影響不突出,從地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度關(guān)系分析9-201工作面兩巷整體支護(hù)難度不大;9-2012巷東西布置,最大水平主應(yīng)力與巷道軸向夾角67.2°,與最優(yōu)布置方58.6位相差8.6°,巷道變形受到最大水平主應(yīng)力方向的影響較小。

    2 回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及頂板弱化措施

    2.1 回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

    根據(jù)店坪煤礦詳細(xì)地質(zhì)資料、地質(zhì)力學(xué)測(cè)試成果、店坪煤礦9-201工作面附近采面掘進(jìn)、回采期間巷道變形狀況、數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果、現(xiàn)有科技成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。提出9-201工作面兩巷支護(hù)設(shè)計(jì),如圖1所示。遇到斷層、破碎帶、頂板淋水嚴(yán)重等特殊地質(zhì)條件,及時(shí)減小錨桿、錨索間排距,并補(bǔ)打錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。遇到地質(zhì)條件發(fā)生較大變化,或者揭露大型地質(zhì)構(gòu)造,及時(shí)匯報(bào)煤礦生產(chǎn)技術(shù)部門,針對(duì)性調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

    圖1 9-201工作面兩巷支護(hù)斷面圖

    與礦上傳統(tǒng)支護(hù)的方法相比,頂板錨桿排距由1 m增加至2 m,由每排5根錨桿變?yōu)槊颗?根錨桿;幫錨桿排距不變,仍為1 m,間距變大,由每排3根變?yōu)槊颗?根。錨索由二二布置變?yōu)橐灰徊贾茫啪嘤?.2 m變?yōu)? m。

    礦上原所有巷道均采用平鋼板作為錨桿錨索托板,由于平鋼板強(qiáng)度低、錨桿錨索受力條件差等原因,引進(jìn)新型錨桿錨索托板,錨索托板采用300 mm×300 mm×12 mm高強(qiáng)度的拱形托板,高度不低于58 mm,配套調(diào)心球墊及鎖具。錨桿托盤采用規(guī)格為150 mm×150 mm×6 mm的拱型方托盤,托板高度不低于36 mm,配套調(diào)心球墊和減摩墊圈。其他支護(hù)材料規(guī)格與原來一樣。

    引進(jìn)高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)技術(shù),要求頂錨桿預(yù)緊力矩250 N·m,錨索初始張拉力為200 kN,幫錨桿預(yù)緊力矩150 N·m。新舊支護(hù)設(shè)計(jì)每100 m材料消耗對(duì)比,見表1。

    表1 新舊支護(hù)設(shè)計(jì)每100 m支護(hù)材料消耗對(duì)比

    從表1可以看出采用新支護(hù)方案后一方面可以節(jié)約大量支護(hù)材料;另一方面,由于直接頂石灰?guī)r較為堅(jiān)硬,錨桿鉆機(jī)鉆進(jìn)困難,錨桿及錨索數(shù)量的減少可以大幅度提高巷道掘進(jìn)支護(hù)施工進(jìn)度,大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

    2.2 回采期間頂板弱化措施

    由于頂板石灰?guī)r的存在,回采期間造成頂板大面積懸頂,給正?;夭蓭砗艽蟮陌踩[患,根據(jù)附近已采工作面經(jīng)驗(yàn),若頂板不采取有效的放頂措施,初次來壓步距在80 m左右,周期來壓步距為60 m左右,造成支架壓力大,來壓期間兩巷超前段變形明顯,給超前段支護(hù)帶來一定困難。

    結(jié)合礦上生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際生產(chǎn)條件,選擇頂板預(yù)裂爆破的方法對(duì)頂板進(jìn)行弱化,減小采空區(qū)頂板懸頂面積。根據(jù)9-2012巷內(nèi)第2測(cè)站的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知,頂板1~4 m為石灰?guī)r,4~5.5 m為泥巖夾層,5.5~8 m為灰?guī)r。結(jié)合國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)最終確定爆破孔深度為4 m,炮孔間距2 m,每隔40 m,進(jìn)行一次預(yù)裂爆破。選擇爆破間距40 m,一方面可保證回采進(jìn)度,另一方面可保證安全回采。

    2.3 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

    利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,分析9-201工作面采用新支護(hù)后回采過程中巷道圍巖穩(wěn)定情況。根據(jù)工作面地質(zhì)資料建立的數(shù)值模型,模型沿工作面走向長100 m,沿工作面傾向長220 m,高50 m。分別模擬工作面推進(jìn)20 m、40 m和60 m時(shí),工作面兩巷超前段圍巖穩(wěn)定情況。

    工作面推進(jìn)20 m、30 m和40 m時(shí),9-2012巷道距離回采工作面10 m出巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況,如圖2所示。

    圖2 回采過程中巷道圍巖應(yīng)力分布情況

    由圖2可知,隨著工作面的推進(jìn),工作面副巷圍巖垂直應(yīng)力逐漸增大,靠近工作面一側(cè)圍巖垂直應(yīng)力明顯大于非回采側(cè)。工作面推進(jìn)20 m、30 m和40 m時(shí),巷道兩側(cè)垂直應(yīng)力集中系數(shù)分別達(dá)到2、2.31和2.92。

    在工作面推進(jìn)期間,在副巷超前工作面5 m處建立變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)巷道表面最大變形量,監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

    表1 副巷超前工作面5 m處表面最大變形量

    從巷道變形情況得出,巷道兩幫變形較大,工作面推進(jìn)20 m、30 m和40 m時(shí),超前工作面5 m處兩幫移近量分別為74.5 mm、100.2 mm和131.9 mm。頂板下沉量在回采40 m時(shí)達(dá)到最大,為30.1 mm。底板變形不明顯。從變形結(jié)果來看,巷道圍巖變形不大,在控制范圍之內(nèi),可以滿足巷道使用要求。說明采用新支護(hù)后,放頂步距選取40 m是可取的。

    3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

    到目前為止,9-201工作面已推進(jìn)400 m,工作面切巷液壓支架安裝完成后,支架后方到切巷幫部剩出有1 m寬度的空間,工作面回采前,在這個(gè)空間中進(jìn)行第1次頂板預(yù)裂爆破工作。回采過程中,每隔40 m進(jìn)行一次頂板預(yù)裂爆破工作,頂板預(yù)裂爆破過程中,做好兩回采巷道超前段臨時(shí)支護(hù)工作,加大臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度?;夭蛇^程中對(duì)工作面副巷超前段距離回采面5 m處進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),此處巷道表面位移隨工作面推進(jìn)變化情況,如圖3所示。

    圖3 副巷超前回采面5 m處巷道表面位移隨工作面推進(jìn)變化情況

    通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可知,工作面推進(jìn)40 m范圍內(nèi),回采巷道超前段頂板下沉量及兩幫移近量增大的速度較大,40 m以后頂板下沉量及兩幫移近量增大的速度較小。在工作面推進(jìn)50 m、90 m和140 m處,回采巷道超前段巷道表面變形出現(xiàn)小范圍的減小,說明頂板弱化措施起到了很好的作用,減小了采空區(qū)懸頂面積,回采巷道超前段的破壞也相應(yīng)減小。巷道超前段兩幫的變形較大,兩幫移近量最大達(dá)到164 mm,頂板下沉量最大達(dá)到66 mm,巷道圍巖較為穩(wěn)定,可以滿足生產(chǎn)使用要求。

    4 結(jié)論

    (1)通過地質(zhì)力學(xué)測(cè)試,灰?guī)r強(qiáng)度的平均值為88.39 MPa,頂板堅(jiān)硬,錨桿、錨索鉆孔的施工難度較大。9-201工作面附近最大的水平主應(yīng)力為9.81 MPa,垂直主應(yīng)力6.89 MPa,地應(yīng)力量值對(duì)巷道支護(hù)的影響不突出,從地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度關(guān)系分析9-201工作面兩巷整體支護(hù)難度不大。巷道變形受到最大水平主應(yīng)力方向的影響較小。

    (2)引進(jìn)新型支護(hù)理念和新型支護(hù)材料,提出新型支護(hù)設(shè)計(jì)。一方面可以節(jié)約大量支護(hù)材料,另一方面,大幅度提高巷道掘進(jìn)支護(hù)施工進(jìn)度,大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

    (3)根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果,結(jié)合礦上生產(chǎn)條件,制定每隔40 m進(jìn)行一次的預(yù)裂爆破的頂板弱化措施,通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明,取得了良好的應(yīng)用效果。

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