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      沿空巷道底鼓破壞與支護(hù)技術(shù)研究

      2021-04-12 11:47:42張付平
      山東煤炭科技 2021年3期
      關(guān)鍵詞:底鼓回風(fēng)順煤柱

      張付平

      (山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司,山西 晉城 048002)

      隨著礦山壓力理論研究的不斷深入和開采技術(shù)的不斷發(fā)展,沿空掘巷技術(shù)在我國得到了廣泛應(yīng)用。采用沿空掘巷的理論依據(jù)為:工作面回采結(jié)束,采空區(qū)側(cè)向上覆巖層運移趨于穩(wěn)定后,在采空區(qū)側(cè)向一定范圍內(nèi)存在低于原巖應(yīng)力的低應(yīng)力區(qū),在該區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)回采巷道,由于巷道布置在采空區(qū)側(cè)向低應(yīng)力區(qū)域范圍內(nèi),充分利用低應(yīng)力區(qū)便于維護(hù)巷道的特點。沿空掘巷受掘進(jìn)及二次采動影響,巷道底板易發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞,本文分析了3005 綜采工作面回風(fēng)巷道底鼓特征及破壞原因,給出了巷道支護(hù)方案,為沿空掘巷底板支護(hù)提供了參考[1-6]。

      1 巷道開采技術(shù)條件

      3005 回風(fēng)順槽位于3005 綜采工作面北部,巷道設(shè)計為矩形斷面,掘進(jìn)寬度為3.2 m,掘進(jìn)高度為2.6 m,凈寬3.0 m,凈高2.4 m。巷道沿3003 綜采面采空區(qū)沿空布置,護(hù)巷煤柱為8 m,巷道頂板為3 號煤層,煤層上部為泥巖及砂質(zhì)泥巖,平均厚度為9.27 m,巷道底板為黑色泥巖,平均厚度為3.07 m。巷道原始支護(hù)方案為錨桿及錨索聯(lián)合支護(hù),頂板及兩幫錨桿規(guī)格均為Φ22 mm×1800 mm,頂板間排距為900 mm×900 mm,兩幫間排距為900 mm×800 mm;巷道頂板中部布置1 根規(guī)格為Φ17.8 mm×5300 mm 的錨索,排距為1800 mm。

      2 巷道底鼓破壞特征及原因分析

      2.1 破壞特征

      沿空掘進(jìn)期間3005 回風(fēng)順槽發(fā)生了一定程度的變形,但相對較小,3005 工作面回采期間巷道底板發(fā)生大幅度底鼓破壞,具體表現(xiàn)情況為:

      (1)回采期間在工作面前方30~50 m 區(qū)域內(nèi)巷道底板發(fā)生大幅度破壞,有較大裂縫,工作面附近底板最大底鼓量980 mm,最大裂隙寬度391 mm,位于工作面靠近煤柱一側(cè)。

      (2)巷道底鼓為非對稱破壞,其中靠近煤柱幫一側(cè)底鼓量大于實體煤幫一側(cè)。

      (3)巷道底板傾斜明顯,無法滿足工作面輔助運輸要求,在工作面前方30 m 處需要人工起底,起底深度為500 mm,靠近工作面附近巷道發(fā)生二次底鼓,底鼓量增大300~400 mm。

      (4)巷道超前支護(hù)的單體立柱穿底明顯,導(dǎo)致立柱支護(hù)強(qiáng)度降低,進(jìn)一步加重了巷道底鼓程度。

      2.2 破壞原因分析

      根據(jù)生產(chǎn)過程中現(xiàn)場觀測,結(jié)合巷道實際破壞情況,認(rèn)為影響巷道底鼓破壞的因素主要有圍巖應(yīng)力及強(qiáng)度、煤柱寬度和支護(hù)方式。

      (1)圍巖強(qiáng)度及應(yīng)力。3005 回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn),巷道底板為黑色泥巖,兩幫及頂板均為3 號煤層。由于底板泥巖屬于軟弱巖層,一方面在掘進(jìn)及工作面回采過程中巷道受兩次顯著采動影響,底板圍巖體的物理力學(xué)性質(zhì)持續(xù)減弱,底板裂隙增大,進(jìn)一步降低底板框變形能力,導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重破壞變形;另一方面沿空掘進(jìn)后,巷道承載著復(fù)雜的地應(yīng)力,在應(yīng)力作用下巷道圍巖持續(xù)發(fā)生破壞變形,表現(xiàn)為在巷道圍巖體最軟弱的底部區(qū)域率先發(fā)生破壞,且破壞程度最大,導(dǎo)致巷道發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞。

      (2)護(hù)巷煤柱寬度。沿空掘進(jìn)后,巷道一側(cè)為護(hù)巷煤柱,護(hù)巷煤柱外側(cè)為采空區(qū),另一側(cè)為實體煤幫,由于巷道在掘進(jìn)之前采空區(qū)側(cè)向煤柱已受上工作面采動影響而發(fā)生一定破壞,煤柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差,抵抗復(fù)雜應(yīng)力的能力大幅度減小,因此煤柱幫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對巷道底板破壞變形具有重要影響。

      (3)支護(hù)方式。3005 回風(fēng)順槽頂板及兩幫錨桿長度均為1800 mm,底板無支護(hù)。由于錨桿有效支護(hù)長度較小,在兩次強(qiáng)烈采動影響下極易發(fā)生失效現(xiàn)象,巷道圍巖由原來錨桿支護(hù)作用下的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài),巷道圍巖體失去約束作用,應(yīng)力狀態(tài)持續(xù)惡化,在圍巖體破壞變形過程中進(jìn)一步增大了巷道底板的破壞程度。此外由于巷道底板無支護(hù),原始自由面在采動影響下極易向巷道空間內(nèi)部讓壓變形,導(dǎo)致巷道底鼓增大。

      3 巷道支護(hù)優(yōu)化

      沿空掘進(jìn)3005 工作面回風(fēng)順槽一側(cè)為護(hù)巷煤柱,寬度為8 m,另一側(cè)為待采工作面。基于以往的大量研究,沿空煤柱均為窄煤柱,煤柱寬度不大于8 m,結(jié)合礦方實際生產(chǎn)情況,本文在現(xiàn)有的煤柱條件下給出巷道底鼓治理方案。

      3.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

      以往的研究成果和現(xiàn)場實踐表明,錨桿及錨索支護(hù)系統(tǒng)可以使巷道圍巖形成一個整體的承載結(jié)構(gòu)體,有效增大巷道圍巖體的峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度,對巷道圍巖穩(wěn)定具有十分重要的作用。本文通過綜合分析3005 回風(fēng)順槽的實際生產(chǎn)地質(zhì)條件、圍巖巖性、錨固體性能、巷道用途等因素,確定了如下支護(hù)參數(shù)。巷道錨桿支護(hù)斷面如圖1。

      (1)頂板采用Φ22 mm×2800 mm 型錨桿,每排布置4 根,間距為800 mm,排距為800 mm,中部錨桿垂直于頂板布置,兩側(cè)錨桿與豎直方向呈15°夾角,錨桿預(yù)緊力在180 kN 以上,扭矩不低于300 kN·m;錨索采用Φ17.8 mm×7300 mm 型高強(qiáng)度鋼絞線,間距及排距均為1600 mm,垂直于頂板布置,錨索破斷載荷不小于350 kN。

      (2)煤柱幫錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2800 mm,每排布置3 根,間距為800 m,排距為700 mm,中部錨桿垂直于煤柱幫,頂部及底部錨桿與水平方向呈15°夾角,錨桿預(yù)緊力大于180 kN,扭矩大于300 kN·m。

      (3)煤壁幫錨桿采用Φ22 mm×2400 mm 型螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×700 mm,中部錨桿垂直于幫部打設(shè),頂部及底部錨索與水平方向呈15°夾角,錨桿預(yù)緊力大于180 kN,扭矩大于 300 kN·m。

      圖1 巷道錨桿支護(hù)斷面

      3.2 底板處理

      3005 回風(fēng)順槽沿底掘進(jìn),巷道底板為黑色泥巖,巖層厚度為3.07 m。在實際掘進(jìn)過程中出現(xiàn)底板破碎和變形時采取注漿加固措施,保證漿體能夠進(jìn)入底板裂縫,改善底板巖層力學(xué)性能。此外在底板開設(shè)卸壓槽,使底板應(yīng)力得到釋放,減小底板底鼓變形破壞。

      4 現(xiàn)場實踐

      3005 回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過程中采用優(yōu)化支護(hù)方式后,對巷道進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測,整個沿空掘進(jìn)期間巷道頂板最大下沉量為108 mm,底板最大變形量為125 mm,兩幫最大變形量為215 mm。3005 工作面回采期間巷道圍巖變形量如圖2。隨著工作面的臨近,巷道圍巖變形逐漸增大,工作面附近頂板最大下沉量約為250 mm,兩幫累計變形量為425 mm,底板最大底鼓量為350 mm,生產(chǎn)期間無大規(guī)模起底,表明底板底鼓得到了有效控制,可以滿足工作面回風(fēng)及輔助運輸要求。

      圖2 巷道圍巖變形曲線

      5 結(jié)論

      在分析3005 回采工作面回風(fēng)順槽底鼓破壞特征的基礎(chǔ)上,分析了巷道底鼓原因并給出了巷道底鼓的治理方案。實踐表明,巷道底鼓治理方案合理,巷道使用效果良好,可以滿足使用要求。

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