回采巷道過(guò)斷層長(zhǎng)短錨索組合支護(hù)優(yōu)化技術(shù)

任小東

(陜西陜煤銅川礦業(yè)公司玉華煤礦柴家溝井,陜西 銅川 727200)

0 引言

在地下煤礦開(kāi)采過(guò)程中,地質(zhì)條件相對(duì)比較復(fù)雜[1-4]。工作面經(jīng)常會(huì)在掘進(jìn)或者回采過(guò)程中遇到地質(zhì)構(gòu)造,斷層就是最常見(jiàn)的一種[5-8]。在生產(chǎn)過(guò)程中工作面往往會(huì)因?yàn)檫^(guò)斷層,而造成頂板垮落、傷人、巷道圍巖變形等問(wèn)題[9-12]。玉華煤礦柴家溝井42226工作面運(yùn)輸順槽過(guò)斷層時(shí)原支護(hù)方案不能有效控制巷道圍巖變形,為此,采用長(zhǎng)短錨索組合優(yōu)化支護(hù)方案。便于控制巷道圍巖變形量,探究全錨索的支護(hù)形式在過(guò)斷層巷道中的作用,以期確保煤礦巷道過(guò)斷層圍巖穩(wěn)定性,進(jìn)而為企業(yè)營(yíng)造良好安全的作業(yè)環(huán)境。

1 工程地質(zhì)概況

銅川礦業(yè)公司玉華煤礦柴家溝井正在開(kāi)采4號(hào)煤層,煤層傾角為2°～7°,厚度為2.03～3.86 m,平均3.22 m,全區(qū)穩(wěn)定可采,煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。目前,井下正在布置42226綜采工作面,工作面相對(duì)位置為南鄰4號(hào)回風(fēng)大巷,北鄰實(shí)體煤,西鄰42227運(yùn)輸順槽,東鄰實(shí)體煤。42226工作面頂板為厚6.33～12.89 m的石灰?guī)r,抗壓強(qiáng)度為54.60～60.57 MPa,飽和抗壓強(qiáng)度為49.40～48.10 MPa;底板為厚1.86～3.93 m的泥巖,飽和抗壓強(qiáng)度為9.36～13.00 MPa。

42226工作面運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 600 m,沿著4號(hào)煤層頂板掘進(jìn),掘?qū)挒? 000 mm,掘高為3 100 mm,巷道斷面為15.5 m2。當(dāng)42226工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至1 415 m時(shí)揭露F4斷層,斷層為東西走向,東偏北63°方向,斷距1.2 m,傾向?yàn)閮A角80°;當(dāng)42226工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至1 505 m時(shí)揭露F2斷層,斷層?xùn)|西走向,東偏北77°方向,斷距1.9 m,南北傾向,傾角80°。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),42226工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過(guò)F4和F2斷層時(shí)圍巖破碎,巷道變形嚴(yán)重,支護(hù)困難等問(wèn)題亟待解決。

2 巷道原支護(hù)方案及圍巖變形破壞特征

2.1 巷道原支護(hù)方案

巷道頂板錨索采用規(guī)格為φ17.8 mm×6 000 mm鋼絞線錨索,每排2根布置,間距2 000 mm,距巷幫1 500 mm,排距2 400 mm,張拉預(yù)緊力≥210 kN,配套使用托盤及錨固劑。錨桿采用規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm的MG500高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 200 mm,邊錨桿距巷幫500 mm,要求向巷幫側(cè)傾斜10°,每排布置5根頂板錨桿。巷道兩幫每排布置4根錨桿,規(guī)格為φ22 mm×2 000 mm的MG500高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿。間排距900 mm×1 200 mm,上部錨桿距頂板150 mm,向上傾斜10°,下部錨桿距底板250 mm,與巷幫垂直,錨桿的扭矩為200 N·m。

2.2 原支護(hù)問(wèn)題分析

在揭露斷層前原支護(hù)圍巖控制效果良好,但當(dāng)42226工作面運(yùn)輸順槽揭露F4和F2斷層時(shí),巷道圍巖出現(xiàn)一定程度破壞,原支護(hù)已不足對(duì)圍巖變形起到有效控制,急需對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。其中原支護(hù)下巷道圍巖最主要破壞特征有以下3個(gè)方面：①巷道頂板圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中顯現(xiàn),局部區(qū)域破碎,頂板中部有明顯下沉,個(gè)別錨桿、錨索被剪斷,金屬網(wǎng)也被破壞,最大變形量為720 mm。②巷道兩幫出現(xiàn)收斂變形,在揭露斷層的第1周,巷道圍巖變形速度明顯增快,最大移近速率可達(dá)55 mm/d,最大變形量為650 mm,局部夾有較薄煤層,已出現(xiàn)局部片幫現(xiàn)象。③巷道底板因淋水后圍巖軟弱,底板中部變形破壞明顯出現(xiàn)底鼓,向兩幫側(cè)開(kāi)始擴(kuò)展,最大變形量為560 mm。

3 過(guò)斷層長(zhǎng)短錨索優(yōu)化支護(hù)圍巖控制方案

42226工作面運(yùn)輸順槽過(guò)F4和F2斷層時(shí)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)短錨索組合支護(hù)方案,頂板采用長(zhǎng)6 m、短3.5 m錨索,配套使用鋼帶組合進(jìn)行支護(hù);幫部采用3.5 m短錨索支護(hù)。圖1為過(guò)斷層長(zhǎng)短錨索支護(hù)斷面,圖2為過(guò)斷層長(zhǎng)短錨索支護(hù)平面。

圖1 過(guò)斷層長(zhǎng)短錨索支護(hù)斷面示意Fig.1 Section of pass-through-fault long and short anchor cables support

圖2 過(guò)斷層長(zhǎng)短錨索支護(hù)平面示意Fig.2 Plane of pass-through-fault long and short anchor cables support

頂板支護(hù)過(guò)程中,巷道頂板長(zhǎng)錨索采用規(guī)格為φ17.8 mm×6 000 mm鋼絞線錨索,間排距2 000 mm×1 200 mm,每排為“212”布置,配套使用托盤及錨固劑,張拉預(yù)緊力≥300 kN。短錨索每排布置5根,規(guī)格為φ15.24 mm×3 500 mm鋼絞線錨索,間排距1 000 mm×1 200 mm,配套使用托盤及錨固劑,錨固力≥110 kN,單根短錨索預(yù)應(yīng)力不小于120 kN。頂部短錨索搭配鋼帶規(guī)格為4 900 mm×80 mm×35 mm(長(zhǎng)×寬×厚),孔間距1 000 mm。頂板網(wǎng)片為φ6 mm的鋼筋焊接,規(guī)格為2 800 mm×1 400 mm,網(wǎng)孔大小為100 mm×100 mm。兩幫支護(hù)時(shí),巷道兩幫每排布置4根短錨索,規(guī)格為φ15.24 mm×3 500 mm鋼絞線錨索,間排距900 mm×1 200 mm,配套使用托盤及錨固劑,張拉預(yù)緊力≥250 kN。錨固力≥110 kN,單根短錨索預(yù)應(yīng)力不小于120 kN。兩幫搭配幫鋼帶規(guī)格為2 900 mm×80 mm×35 mm(長(zhǎng)×寬×厚),孔間距為900 mm。兩幫網(wǎng)片采用12#鐵絲編制而成的菱形網(wǎng),規(guī)格為3 000 mm×1 400 mm,網(wǎng)格大小為50 mm×50 mm。

4 支護(hù)效果分析

因原支護(hù)方案下42226工作面運(yùn)輸順槽過(guò)斷層支護(hù)困難,巷道變形嚴(yán)重。根據(jù)提出的優(yōu)化后支護(hù)方案,借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對(duì)玉華煤礦柴家溝井42226工作面工程概況建立數(shù)值模擬模型,模擬42226工作面運(yùn)輸順槽原支護(hù)和優(yōu)化后的支護(hù)方案下巷道圍巖塑性區(qū)分布情況,圖3為巷道圍巖塑性區(qū)分布。由圖3(a)和(b)可知,原支護(hù)時(shí)巷道圍巖頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r塑性區(qū)分布明顯增大,破壞單元格較多。在采取現(xiàn)支護(hù)方案后,巷道圍巖頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r塑性區(qū)分布明顯減少,尤其是頂板上部單元格減少明顯,有效控制了巷道圍巖變形量,能夠保證巷道穩(wěn)定。

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.3 Plastic area distribution of roadway surrounding rock

為檢驗(yàn)在42226工作面運(yùn)輸順槽過(guò)F4和F2斷層時(shí)采用長(zhǎng)短錨索組合優(yōu)化支護(hù)方案后的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果,在運(yùn)輸順槽1 450 m和1 550 m各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)巷道圍巖頂板下沉、底板底鼓和兩幫收縮的位移量。2個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)周期都為60 d,監(jiān)測(cè)頻率為5 d/次。圖4為測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Surface displacement monitoring results of roadway

根據(jù)圖4可知,兩測(cè)點(diǎn)圍巖頂板下沉、底板底鼓和兩幫收縮量總體變化趨勢(shì)基本保持一致,測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2都是在監(jiān)測(cè)前20 d內(nèi)巷道圍巖變形速度增快,20 d后圍邊變形量開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定。原支護(hù)方案下,巷道圍巖頂板變形量最大為720 mm,兩幫圍巖移近量最大為650 mm,巷道底板最大變形量為560 mm。在采用長(zhǎng)短錨索組合優(yōu)化支護(hù)方案后,巷道圍巖變形量明顯減少,巷道頂板最大下沉量為158 mm,底板底鼓量最大為92 mm,兩幫收縮量最大為166 mm。頂板、底板及兩幫圍巖變形量分別為原變形量的21.9%、16.4%和25.5%。

結(jié)合井下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的頂板離層監(jiān)測(cè)與錨索壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,運(yùn)輸順槽頂板離層量為0～1 mm,錨索承載受力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。可以看出,測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2頂板和兩幫錨索受力大概趨勢(shì)為觀測(cè)前期增長(zhǎng)幅度大,觀測(cè)中期錨索受力開(kāi)始呈下降趨勢(shì),觀測(cè)后期錨索受力開(kāi)始趨于穩(wěn)定并且有小幅度振蕩。頂板錨索在觀測(cè)的1～6 d內(nèi)錨索受力增長(zhǎng)速度急劇最大受力值為300 kN,在觀測(cè)的 7～12 d內(nèi)錨索受力開(kāi)始逐漸減少,并且在13～29 d內(nèi)錨索受力已經(jīng)逐漸穩(wěn)定,錨索受力值穩(wěn)定在285 kN且有小幅度震蕩;但是兩幫上部和下部錨索的受力值相差明顯,兩幫上部錨索最大受力值為142 kN,在觀測(cè)的12 d后開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定,兩幫上部錨索受力穩(wěn)定在120 kN;兩幫下部錨索受力變化趨勢(shì)大致和上部錨索相同,兩幫下部錨索最大受力值為310 kN,在觀測(cè)13 d后開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定,兩幫下部錨索受力穩(wěn)定在275 kN;兩幫上部和下部錨索的受力值不同,下部錨索受力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上部錨索受力值。通過(guò)分析原因可知,由于42226工作面運(yùn)輸順槽沿著4號(hào)煤層頂板掘進(jìn),巷道直接底為煤體,煤體受力后變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂板巖層變形量,所以,下部錨索受力大于上部錨索受力值。值得注意的是,通過(guò)圖4測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2可以看出,錨索受力穩(wěn)定且承載能力還有較大富余。由此可證明,42226工作面運(yùn)輸順槽采用長(zhǎng)短錨索組合優(yōu)化支護(hù)方案后,巷道圍巖頂板、兩幫和底板變形量得到了有效控制,錨索受力情況良好,能夠在工作面開(kāi)采的動(dòng)壓影響下較好地控制巷道圍巖兩幫平移變形,保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性,能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。

圖5 錨索受力監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Force monitor results of anchor cables

5 結(jié)論

煤礦巷道支護(hù)安全生產(chǎn)工作是一項(xiàng)持久戰(zhàn),特別是我國(guó)部分煤礦面臨作業(yè)條件艱苦、地質(zhì)條件復(fù)雜、支護(hù)參數(shù)不準(zhǔn)確、安全設(shè)施落后等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)過(guò)斷層時(shí)采用長(zhǎng)短錨索組合優(yōu)化支護(hù)方案后,增強(qiáng)了42226工作面運(yùn)輸順槽巷道圍巖的整體性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果監(jiān)測(cè),頂板、底板及兩幫圍巖變形量分別為原變形量的21.9%、16.4%和25.5%。結(jié)合頂板離層儀數(shù)值和頂板兩幫的錨索受力值得出,過(guò)斷層時(shí)采用長(zhǎng)短錨索組合支護(hù)方案,能夠有效控制了巷道圍巖變形量,且錨索受力良好且有富余,支護(hù)效果明顯。