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      超前注漿管棚支護(hù)在應(yīng)力區(qū)破碎頂板中應(yīng)用

      2022-03-15 08:12:50史戰(zhàn)宇
      山東煤炭科技 2022年2期
      關(guān)鍵詞:鋼棚管棚型鋼

      史戰(zhàn)宇

      (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司,山西 大同 037031)

      1 概述

      晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司2114 巷位于301 盤區(qū)南部左翼的最北部,工作面東部為井田邊界,西部為盤區(qū)的皮帶、材料、回風(fēng)巷,南部為實(shí)煤區(qū),北部為301 盤區(qū)東部的皮帶、軌道及回風(fēng)巷。2114 巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1316 m,巷道為矩形斷面,斷面規(guī)格為寬×高=4.2 m×3.5 m,巷道掘進(jìn)煤層為石炭系5#煤層。根據(jù)工作面附近462811、472811鉆孔、工作面探煤厚孔的資料看,工作面煤層總厚為8.0~10.49 m,煤層普遍有3~8 層夾石,夾石厚一般為0.10~0.30 m,夾石斷續(xù)、不穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

      表1 煤層頂?shù)装鍘r性

      2114 巷掘進(jìn)至420 m 處揭露F2 正斷層,斷層走向15°~20°,傾向ES,傾角65°,落差為1.7 m,斷層對(duì)巷道影響長(zhǎng)度為37 m。巷道掘進(jìn)至405 m 時(shí)出現(xiàn)F2 斷層應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象,巷道圍巖相對(duì)破碎,當(dāng)巷道掘進(jìn)至407~418 m 段時(shí)頂板出現(xiàn)局部冒落、離層現(xiàn)象,兩幫收斂嚴(yán)重,收斂量達(dá)0.62 m,頂板下沉量達(dá)0.44 m。

      2 應(yīng)力區(qū)圍巖聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

      2.1 超前管棚支護(hù)

      為防止巷道過(guò)應(yīng)力區(qū)機(jī)械掘進(jìn)過(guò)程受構(gòu)造應(yīng)力、機(jī)械擾動(dòng)等影響,巷道前方煤巖體超前破碎現(xiàn)象,對(duì)巷道頂板施工超前管棚支護(hù)進(jìn)行控制維護(hù)[1-5]。

      2.1.1 超前管棚支護(hù)參數(shù)

      (1)為便于巷道內(nèi)超前管棚施工以及提高支護(hù)效果,管棚支護(hù)體長(zhǎng)度一般小于10 m,管棚支護(hù)長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)圍巖內(nèi)摩擦角以及垮落高度進(jìn)行確定。根據(jù)2114 巷掘進(jìn)期間最大垮落高度為3.2 m,巖體最大內(nèi)摩擦角為32°,通過(guò)合理計(jì)算,確定2114巷超前管棚長(zhǎng)度為3.5 m。

      (2)超前管棚支護(hù)體采用中空無(wú)縫鋼管焊制而成,鋼管直徑為30 mm,鋼管壁厚為12 mm,每根鋼管長(zhǎng)度為3.0 m。其中第一根鋼管端頭成錐狀便于導(dǎo)向插入,且孔壁均勻布置三排注漿花孔,孔直徑為50 mm,間距為0.2 m,每排布置5 個(gè),相鄰兩根鋼管之間采用絲扣連接,絲扣長(zhǎng)度為0.2 m。

      2.1.2 超前管棚支護(hù)施工

      (1)為了提高管棚支護(hù)剛性,管棚支護(hù)孔應(yīng)與巷道輪廓預(yù)留合適的間距,一般鉆孔中心與輪廓間距控制在0.2~0.3 m 范圍內(nèi)。超前支護(hù)鉆孔采用手持式鉆機(jī)配套直徑為32 mm 合金鉆頭進(jìn)行施工。

      (2)超前管棚支護(hù)鉆孔施工時(shí),為了防止鉆頭下垂,鉆孔應(yīng)向輪廓方向保持一定仰角,仰角根據(jù)管棚支護(hù)長(zhǎng)度而定。2114 巷超前管棚支護(hù)鉆孔設(shè)計(jì)仰角為5°。

      (3)2114 巷頂板共計(jì)布置14 根超前管棚支護(hù),支護(hù)間距為0.3 m;兩幫各施工5 根管棚支護(hù),支護(hù)間距為0.6 m。巷道每掘進(jìn)4.0 m 時(shí)及時(shí)施工第二排超前管棚支護(hù),相鄰兩排管棚支護(hù)交錯(cuò)距為0.8 m,如圖1。

      圖1 2114 巷斷層應(yīng)力區(qū)圍巖聯(lián)合支護(hù)示意圖(mm)

      2.1.3 注漿加固

      (1)超前管棚支護(hù)施工完后,對(duì)頂板及兩幫進(jìn)行超前注漿加固。首先對(duì)頂板超前管棚內(nèi)填入注漿軟管,軟管直徑為22 mm,軟管插入管棚支護(hù)體內(nèi)長(zhǎng)度為2.0 m。注漿軟管安裝后在管棚支護(hù)孔口處采用止?jié){塞進(jìn)行封堵。

      (2)頂板每排布置三個(gè)注漿孔,即頂板肩角及中部各一個(gè),兩幫各布置一個(gè)注漿孔。注漿時(shí)先頂板后兩幫的注漿順序,注漿液采用馬麗散有機(jī)化學(xué)材料,注漿壓力為1.5 MPa,注漿期間發(fā)現(xiàn)煤體有漿液滲出時(shí)立即停止注漿。

      2.2 U29 型鋼棚支護(hù)

      (1)為了進(jìn)一步提高應(yīng)力區(qū)頂板穩(wěn)定性,保證超前管棚支護(hù)強(qiáng)度,在應(yīng)力區(qū)架設(shè)U29 型鋼棚。鋼棚主要由U29 型鋼制成,與傳統(tǒng)矩形鋼棚相比,U29 型鋼具有承載強(qiáng)度高、不易變形等優(yōu)點(diǎn)。

      (2)每根棚腿由兩節(jié)長(zhǎng)度為2.0 m 的U29 型鋼組成,兩節(jié)棚腿之間采用插接式連接,并采用雙組抱箍固定。頂梁長(zhǎng)度為4.5 m。頂梁與棚腿之間采用卡纜進(jìn)行固定。

      (3)U29 型鋼棚架設(shè)順序?yàn)椋号锿取斄骸B接桿。鋼棚架設(shè)間距為1.0 m,鋼棚架設(shè)完后保證鋼棚頂梁與超前管棚支護(hù)體接觸嚴(yán)實(shí)。

      3 應(yīng)用效果

      至2 月13 日2114 巷已掘進(jìn)至450 m,完全通過(guò)了斷層應(yīng)力區(qū)。掘進(jìn)期間分別在410 m、430 m處頂板布置兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn),編號(hào)為1#、2#,觀測(cè)點(diǎn)處各安裝一臺(tái)GUD500 型數(shù)顯離層儀,同時(shí)在兩幫安裝位移監(jiān)測(cè)儀,分別進(jìn)行15 d 現(xiàn)場(chǎng)觀察。應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)前后圍巖變形曲線如圖2 所示。

      圖2 應(yīng)力區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)前后圍巖變形曲線圖

      (1)1#觀測(cè)點(diǎn)圍巖采用傳統(tǒng)錨桿支護(hù)技術(shù)時(shí),受應(yīng)力影響頂板蠕動(dòng)變形現(xiàn)象嚴(yán)重。在0~8 d 范圍內(nèi)頂板總下沉量為0.31 m;在8~13 d 范圍內(nèi)隨著巷道延伸,頂板應(yīng)力釋放逐漸降低,頂板總下沉量為0.13 m;在13 d 后頂板逐漸趨于穩(wěn)定。采用傳統(tǒng)支護(hù)時(shí)支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重,失效率達(dá)11%,且伴隨著頂板破碎、離層現(xiàn)象。

      (2)2#觀測(cè)點(diǎn)圍巖采取聯(lián)合控制技術(shù)后,頂板下沉、破碎現(xiàn)象得到了明顯改善。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),在0~6 d 范圍內(nèi)頂板同樣出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象,總變形量為0.12 m;在6~12 d 范圍管棚、鋼棚支護(hù)與圍巖實(shí)現(xiàn)了耦合支護(hù)作用,頂板總下沉量為0.07 m;在12 d 后頂板趨于穩(wěn)定。

      (3)通過(guò)對(duì)兩幫安裝的位移監(jiān)測(cè)儀發(fā)現(xiàn),應(yīng)力區(qū)巷道未采取聯(lián)合控制技術(shù)前,由于頂板應(yīng)力大、頂板承載能力低,應(yīng)力沿兩幫傳遞現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致兩幫出現(xiàn)收縮破壞現(xiàn)象。采取聯(lián)合控制技術(shù)后,大大提高了頂板穩(wěn)定性以及承載能力,削弱了應(yīng)力對(duì)兩幫剝離破壞作用,兩幫收縮量減小為0.21 m。

      4 結(jié)語(yǔ)

      對(duì)2114 巷斷層應(yīng)力區(qū)頂板采取超前管棚注漿支護(hù),實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)超前支護(hù)的目的,降低了應(yīng)力對(duì)圍巖超前破壞作用,提高了巖體抗應(yīng)力能力。通過(guò)U29 型鋼棚被動(dòng)支護(hù),進(jìn)一步加強(qiáng)了頂板穩(wěn)定性,控制了頂板下沉、破碎現(xiàn)象,有效保障了巷道安全快速掘進(jìn)。

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