袁大灘煤礦超長巷道補強支護技術(shù)實踐

白云虎,謝 濤,劉濤濤,張 毅,田夢琪

(1.榆陽中能袁大灘礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

在礦井產(chǎn)能快速釋放過程中,圍巖應(yīng)力的釋放轉(zhuǎn)移加劇,造成巷道支護參數(shù)需要不同程度的修正。隨著冒落拱內(nèi)巖石重量的普氏壓力拱假說、考慮極限平衡拱的太基公式、極限平衡圍巖支護的卡斯特納計算公式的發(fā)展,支護方式得到不斷的優(yōu)化[1-2]。根據(jù)圍巖的自穩(wěn)特點,逐步得出了懸吊理論、組合梁理論、巖松動圈理論等,助力了巷道支護參數(shù)的修正[3-5]。近年來,康紅普[6]闡述了我國煤礦巷道支護與加固方法主要有4種形式,對巷道未來的發(fā)展提出了新的展望。黃慶享等[7]根據(jù)圍巖變形破壞的自穩(wěn)平衡現(xiàn)象,提出了“治頂先治幫,治幫先治底”的巷道支護理念。王軍平[8]在分析復(fù)雜地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)上,提出支護主體高度與穩(wěn)定度的調(diào)整、掘進支護角度的變動性設(shè)計和掘進支護設(shè)備資源的協(xié)同性。馬振虎[9]認為孤島工作面采用錨、索、網(wǎng)聯(lián)合支護最優(yōu)支護參數(shù)的方案能夠使回采巷道圍巖變形得到有效控制。劉海東等[10]針對巷道頂板鏤空、離層及下沉等問題,采用“錨護噴注”一體化支護技術(shù),可以減小巷道塑性區(qū)范圍和變形量。也有部分學(xué)者對錨桿錨索的受力情況,采用不同方法進行了相關(guān)監(jiān)測[11-12]。

為此,結(jié)合袁大灘煤礦超長距離薄煤層的特點,通過理論分析、現(xiàn)場實踐進行超長距離薄煤層工作面巷道加強支護,以期為實現(xiàn)礦井高效安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 工程背景

1.1 工作面概況

袁大灘煤礦11203工作面運輸順槽,位于2號煤層112盤區(qū)位西北部,工作面切眼長為300.15 m,推采長度5 238.38 m。東側(cè)為11201回風(fēng)順槽,南側(cè)為輔運大巷,西側(cè)為11203回風(fēng)順槽,北部為小紀汗井田。

工作面采用雙巷布置,即一條回風(fēng)順槽,一條運輸順槽,順槽垂直于112盤區(qū)大巷沿煤層底板布置,方位0°,由北往南進行推采。11203運輸順槽對應(yīng)地表位于中央進、回風(fēng)立井工業(yè)廣場北部。工作面平均每天推進10刀,每刀截深0.8 m,平均每天推采8 m。工作面范圍內(nèi),總體構(gòu)造形態(tài)為一向北西西緩傾的單斜層,平均傾角小于1°,構(gòu)造對巷道掘進影響較小。地質(zhì)構(gòu)造簡單,工作面內(nèi)無較大斷裂和褶皺,亦無巖漿活動痕跡,僅局部發(fā)育寬緩的波狀起伏。對比鄰近巷道實際揭露情況,掘進過程中未發(fā)現(xiàn)較大地質(zhì)構(gòu)造,但掘進過程中可能揭露裂隙等細微地質(zhì)構(gòu)造。

工作面頂板主要含水層為侏羅系直羅組砂巖裂隙承壓含水層。巖性以中細粒砂巖為主,一般厚9.90～96.30 m,平均厚54.41 m。該含水層及煤層富水為工作面主要充水水源。隔水層主要為延安組2號煤層頂板以上至直羅組底界所組成的相對隔水層。平均厚度15.25 m,巖性為細-粉細砂巖和砂質(zhì)泥巖,隔水性能稍差。

1.2 巷道現(xiàn)支護參數(shù)及問題

11203運輸順槽設(shè)計為矩形斷面,施工5 245 m×5.5 m×2.95 m(長×寬×高),S掘=16.23 m2;凈寬5.4 m,凈高2.75 m,S凈=14.85 m2。巷道頂板采用錨桿錨索聯(lián)合支護,兩幫采用玻璃鋼錨桿+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護,支護參數(shù)見表1。

表1 巷道支護參數(shù)

頂網(wǎng)、右?guī)徒饘倬W(wǎng)分別選用φ6.5 mm鋼筋焊接的金屬網(wǎng),金屬網(wǎng)規(guī)格分別使用5 400 mm×1 200 mm和2 400 mm×1 200 mm,網(wǎng)目100 mm×100 mm;左幫采用塑料網(wǎng),規(guī)格為1 200 mm×2 400 mm,網(wǎng)格為40 mm×40 mm。原巷道支護剖面如圖1所示。

圖1 原始支護剖面

11203工作面采動作用,在超前支承應(yīng)力作用下導(dǎo)致端頭區(qū)域巷幫片幫、頂板下沉極為嚴重,嚴重影響正常采煤工作,如圖2所示。在超前30 m以外巷道頂板處于穩(wěn)定平衡失穩(wěn)狀態(tài),當進入超前30 m范圍時,頂板下沉量大,最大約達到1 m。巷道支承壓力范圍內(nèi)采空側(cè)巷道片幫現(xiàn)象嚴重。錨桿、錨索的錨固效能太低,索密度不能滿足極限自穩(wěn)隱形拱內(nèi)巖體懸吊平衡的基本條件,無法滿足支護后的巷道自穩(wěn)性。

圖2 工作面巷道變形情況

2 巷道支護設(shè)計原則

2.1 設(shè)計原則

通過測定,11203工作面超前支承應(yīng)力影響范圍約200 m,應(yīng)力峰值(塑性區(qū))在超前30 m左右,彈性區(qū)范圍約170 m左右。工作面超長距離下,其支承應(yīng)力擾動范圍更大。

在錨索與錨桿共同作用的體系中,還要充分考慮二者之間的巨大的伸長率差,且根據(jù)地應(yīng)力和支護設(shè)計,應(yīng)該在布置上考慮到錨桿與錨索的位置關(guān)系。錨桿支護是以錨桿抗拉強度遠遠高于圍巖體抗壓強度的優(yōu)勢來克服巖體內(nèi)應(yīng)力分布過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力。因此錨桿應(yīng)采用盡可能高的預(yù)應(yīng)力、盡可能大的延伸率,進行全長兩次錨固,錨索長度應(yīng)按照自穩(wěn)隱形拱中極限自穩(wěn)特征確定。

2.2 圍巖破壞范圍確定

極限自穩(wěn)平衡拱平衡方程見式(1)。

(1)

極限自穩(wěn)平衡的最大高度見式(2)。

(2)

式中,W0為巷道原始寬度,m;σt為抗拉強度,MPa;L為片幫深度,m;p0為原巖應(yīng)力,MPa。

根據(jù)“自穩(wěn)隱形拱”和“極限自穩(wěn)隱形拱”2種形態(tài),支護結(jié)構(gòu)體系概況如圖3所示。在極限自穩(wěn)隱形拱及自穩(wěn)隱形拱中,至少有1根錨索穿過極限自穩(wěn)隱形拱,至少有2根錨桿穿過自穩(wěn)隱形拱500 mm。通過計算,自穩(wěn)隱形拱、極限自穩(wěn)隱形拱最大高度分別為1.9 m和7.9 m。因此選用2.5 m的錨桿,8.3 m的錨索。

圖3 支護結(jié)構(gòu)體系概況

3 巷道補強支護設(shè)計

3.1 補強支護設(shè)計方案

根據(jù)采動下支承應(yīng)力分布情況,工作面超前150 m巷道開始變形,超前30 m范圍內(nèi)巷道變形劇烈。對于大變形部位需采用挑頂方法進行隔斷礦壓傳遞。

后補錨索在原來錨索基礎(chǔ)上,巷道頂板保證每排有3個錨索錨固點,且為注漿錨索;采用T140鋼帶把3根錨索連在一起。從三角區(qū)域向前一個礦壓周期范圍內(nèi)(20 m),需要每平方米1根8 300 mm長度注漿錨索。(原來的錨索不能替代注漿錨索,但可以在原錨索的位置擴大注漿錨索間距);幫部每排補足4根錨桿。

設(shè)計方案如圖4所示,巷道支護參數(shù)見表2,補強支護剖面如圖5所示。

圖4 設(shè)計方案

圖5 補強支護剖面圖

表2 超前支護參數(shù)匯總表

3.2 補強支護要點

圍巖穩(wěn)定性范圍是根據(jù)極限推斷法則的自穩(wěn)隱形拱理論,在臨空順槽動壓影響下,必須按照錨索的極限控制原則設(shè)計。錨固系統(tǒng)按照“高大長效能法則”。加固圍巖由于松動離層等因素必須采用注漿錨固方式。施工當中針對現(xiàn)場遇到斷層破碎帶等地質(zhì)不良地段應(yīng)該增加錨固點密度和深度或架棚支護。11203運順在頂板大面積下沉區(qū)域超前20 m范圍,必須全部采用注漿錨固方法——每排(走向1 m)必須有3根注漿錨索。在原來基礎(chǔ)上增加夠每排3個錨索錨固點,可以根據(jù)現(xiàn)場情況增加錨固點,但不能減少。11205臨空側(cè)順槽后續(xù)掘進頂板必須保證每排3根錨索,而且每兩排中間需要增加1根三聯(lián)鋼帶和注漿錨索。

4 支護效果監(jiān)測

距工作面超前100 m開始,每隔20 m設(shè)置一個測站,共布置4個監(jiān)測點,連續(xù)監(jiān)測10天。利用巷道表面位移觀測數(shù)據(jù)可反演分析判定巷道圍巖的水平位移及垂直位移情況。10天后工作面累計推進80 m,超前不同位置的變化情況如圖6所示。10天后的各監(jiān)測位置與工作面關(guān)系見表3。

圖6 超前不同位置圍巖位移變化情況

表3 各監(jiān)測位置與工作面關(guān)系

1#監(jiān)測點隨著采動范圍影響,水平位移經(jīng)歷“增大—減小—增大”的變化,垂直位移經(jīng)歷“增大—減小”的變化過程,監(jiān)測結(jié)束后的位置在超前支承應(yīng)力塑性區(qū)范圍內(nèi),圍巖的活動位移量相對較大,但都控制在45 mm內(nèi)。

2#～4#監(jiān)測點在彈性區(qū)范圍內(nèi),補強支護后的位置距工作面越遠,巷道圍巖的穩(wěn)定性越好。2#監(jiān)測點的位移變化較大,水平的移動量維持在23 mm,垂直位移量由13.5 mm增加至22 mm。3#監(jiān)測點的水平與垂直位移分別增加了3 mm、10 mm。受開采擾動支承應(yīng)力減弱的影響,圍巖位移變化量在不斷減小。4#監(jiān)測點的水平與垂直位移趨于20 mm,并穩(wěn)定。由此表明巷道補強支護后取得了良好的支護效果。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)存在極限自穩(wěn)隱形拱和通過自穩(wěn)隱形拱的理論確定出選用長2.5 m的錨桿和長8.3 m的錨索。

(2)補強支護在原支護的基礎(chǔ)上,巷道頂板保證每排有3個錨索錨固點;采面?zhèn)群兔褐鶄?cè)分別采用玻璃鋼錨桿、金屬錨桿。

(3)通過對補強支護進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)工作面超前最大、最小位移量分別為45 mm和20 mm,巷道補強支護后取得了良好的支護效果。