王玉中
(陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司一礦,山西 陽泉 045008)
K8207工作面地表位置為小西溝南,臭石巖溝以東,吳家掌村以西,小楊樹咀以北的山梁溝谷地帶,在雨季補給水量充沛。地表無建筑物,有部分農(nóng)田及山林。工作面井下位置位于擴二區(qū)輔助回風(fēng)巷以西,西大巷軌道巷以南,K8206工作面(已回采)以北。
K8207進風(fēng)巷用作本工作面進風(fēng)、運煤及下料,巷道設(shè)計長度912 m,預(yù)計服務(wù)年限為3年。巷道沿15號煤層底板掘進,留有頂煤,兩幫主體為煤,不受采空區(qū)及其他影響,屬簡單類巷道。巷道最大坡度13°,最小坡度2°,平均6°。巷道地面標(biāo)高1122~1224m,井下標(biāo)高684~733 m,埋深為438~511 m。
煤層直接頂為黑色泥巖,厚度約1.17 m,巖芯破碎,巖層含炭質(zhì);基本頂為K2石灰?guī)r,平均厚度約10.14 m,深灰色,致密堅硬,局部含動物化石;煤層底板為細粒砂巖,平均厚度約4.5 m,黑灰色,含石英、云母炭屑,硅質(zhì)膠結(jié)。
該區(qū)域總體為一單斜構(gòu)造,局部地段發(fā)育成為次一級的向、背斜構(gòu)造。煤層傾角在2°~13°間。根據(jù)周邊地質(zhì)資料分析,預(yù)計在掘進過程中會遇到一些落差2 m左右的斷層及撓曲構(gòu)造,到時會對掘進有一定影響。
巷道原來支護如圖1所示。頂板采用全錨索進行支護,采用6根長短錨索交替布置,規(guī)格為Φ17.8-7200/5200,其中7.2 m錨索按照“二四”和“三五”進行輪流布置,錨索托板為240 mm×200 mm×85 mm鑄鋼錨索托板如圖9,錨桿配合采用波紋鋼帶護頂,規(guī)格為4-220-5100-940-6。巷幫采用4根直徑20 mm、長度2 000 mm的圓鋼麻花錨桿,鋼號為Q235。錨桿托板采用350 mm×120 mm×40 mm的花式托板,如圖1所示。全斷面掛網(wǎng),頂部、兩幫網(wǎng)片采用經(jīng)緯網(wǎng)。錨索的間排距為950 mm×800 mm。頂錨索預(yù)緊力要求為170 kN(45 MPa),幫錨桿錨固力要求50 kN,錨桿預(yù)緊力矩120 N·m。
圖1 巷道原支護示意圖(單位:mm)
由于巷道巷道掘進過程中受構(gòu)造應(yīng)力影響,局部圍巖應(yīng)力不穩(wěn)定。對井下圍巖變形進行觀測統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)巷道頂板穩(wěn)定性差,局部下沉量大。巷道的煤幫控制效果差,變形和位移量大,局部破碎嚴重,出現(xiàn)錨桿失效現(xiàn)象,部分區(qū)段巷道寬度不足4.0 m,兩幫變形達約500 mm。
分析可知,巷道頂板采用全錨索支護,頂板強度和剛度相對較高,可主動及時支護圍巖,控制頂板變形;相反,由于錨桿托板的支護限制,托板面積小,單體錨桿為花式托板,對金屬網(wǎng)和幫的支護效果不均勻,支護效果差?,F(xiàn)錨桿的破斷力和預(yù)緊力小,加上錨桿僅有120 N·m的預(yù)緊扭矩,造成巷道了兩幫整體支護強度低,支護無法滿足巷道變形的支護破壞,局部變形大,難以控制。
進風(fēng)巷兩幫局部有變形破碎,出現(xiàn)托板后空現(xiàn)象,分析主要是因為巷幫錨桿預(yù)緊力較小,加之錨桿護表構(gòu)件不合理,當(dāng)煤體松軟破碎時,容易出現(xiàn)片幫變形,造成巷道失穩(wěn)破壞,所以可在保證其支護效果的前提下,進行了高預(yù)應(yīng)力支護優(yōu)化及推廣,提高了巷道支護的科學(xué)性,實現(xiàn)頂幫支護的安全,確保施工經(jīng)濟成本優(yōu)化,為巷道狀況的改善創(chuàng)造了條件,實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)。
考慮到生產(chǎn)的要求和巷道圍巖變形預(yù)留量,設(shè)計K8207進風(fēng)巷斷面尺寸如下,凈斷面寬5 000 mm,高2 900 mm,凈斷面面積14.5 m2,掘進斷面寬5 200 mm,掘進斷面高3 000 mm,掘進斷面面積15.6 m2。根據(jù)地質(zhì)條件、優(yōu)化數(shù)值模擬及工程實踐經(jīng)驗,確定巷道剩下350 m采用新支護方案進行試驗。
頂板采用全錨索+金屬網(wǎng)進行支護,錨索規(guī)格為Φ17.8×6 300 mm鋼絞線,頂板一排布置6根,排距1.0 m,間距0.9 m。錨索布置方式要全部垂直頂板。采用300 mm×300 mm×16 mm高強度可調(diào)心托板及配套鎖具,高度不低于60 mm,承載能力不低于350 kN。錨固由兩支規(guī)格分別為MSCK2340和MSZ2380的錨固劑組合加工而成。鉆頭直徑為28 mm,錨固長度為1 360 mm。錨索預(yù)緊力不小于230 kN。
網(wǎng)片規(guī)格:巷道采用菱形網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)配合護頂,鋼筋網(wǎng)為直徑6.5 mm鋼筋焊接而成,網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm,網(wǎng)片規(guī)格為2 700 mm×1 100 mm;金屬菱形網(wǎng)材料為10號鐵絲,網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm,網(wǎng)片規(guī)格5 400 mm×1 100 mm,菱形網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)兩種網(wǎng)片聯(lián)接時均搭接100 mm,采用16號鉛絲聯(lián)接,雙絲雙扣梳辮法孔孔相連,并不得小于3扣。
錨桿形式和規(guī)格:桿體為20號長度2.0 m左旋螺紋鋼錨桿,采用高強錨桿螺母M22,配合高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈,托板采用拱型高強度托板,高度不低于36 mm,托板尺寸不小于150 mm×150 mm×10 mm,承載能力不低于154 kN。
鋼筋托梁:采用直徑14 mm鋼筋焊接而成,鋼筋托梁寬度80 mm,長度2 400 mm。
網(wǎng)片規(guī)格:巷幫鋪設(shè)單層菱形網(wǎng),金屬網(wǎng)材料為10號鐵絲,網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm,網(wǎng)片規(guī)格2 600 mm×1 100 mm,兩網(wǎng)片之間搭接100 mm,采用16號鉛絲聯(lián)接,雙絲雙扣梳辮法孔孔相連,并不得小于3扣。
錨桿布置:每排3根錨桿,錨桿排距1 000 mm,間距1 100 mm。
巷道支護布置如圖2所示。
圖2 巷道支護布置圖(單位:mm)
巷道頂板最大下沉量87 mm,兩幫最大移近量45 mm,占巷道尺寸比例很小,巷道的變形量主要集中在構(gòu)造破碎段;錨桿初始預(yù)緊力50~90 kN,平均值80 kN;稍有增大后趨于穩(wěn)定。頂錨索初始預(yù)緊力損失之后分別達到170 kN、190 kN、200 kN,受力最大值達到260 kN,之后趨于穩(wěn)定。
原方案折合每排成本1 372元,折合每米成本1 614元;新方案折合每米成本1 432元,較原方案節(jié)省182元,約11%;新方案巷幫折合每米成本1 490元,較原方案降低124元,約8%;新方案巷幫折合每米成本1 600元,和原方案持平,但有效解決了巷幫支護偏弱問題,避免后期的返工維修,保證了巷道安全。