陳寶元

(中國礦業(yè)大學應用技術(shù)學院,江蘇徐州 221008)

桁架錨索支護技術(shù)在二次動壓巷道中的應用

陳寶元

(中國礦業(yè)大學應用技術(shù)學院,江蘇徐州 221008)

介紹了陽泉煤業(yè)集團新元公司在原有煤巷錨網(wǎng)支技術(shù)基礎(chǔ)上,從支護理念、支護材料、支護工藝等方面進行了試驗研究,應用桁架錨索支護技術(shù),提高了巷道支護效果,有效緩解了礦井采掘接替緊張的局面,解決了礦井安全、高效生產(chǎn)的相關(guān)問題。

桁架錨索;二次復用;采動影響;支護

Application of Truss Bolt Supporting Technology in Roadway with Secondary Dynam ic Pressure Behavior

新元煤炭有限責任公司在沁水煤田西北部,井田東西長 15.6km,南北寬約 9.6km,全井田可采煤層儲量 750Mt。該礦可采煤層為 3號、6號、8號、9號、15號和 15下號煤層,其中 3號煤層是該礦主采煤層,煤層平均厚度 2.60m。新元公司為新建礦井,3號煤層東、西采區(qū)工作面為單翼布置,按照設計每一工作面的正巷均為受二次采動影響的復用巷道,實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),由于 3號煤層特殊的圍巖狀況和受采動影響比較嚴重,經(jīng)常出現(xiàn)二次復用巷道變形嚴重甚至壓垮重新掘巷的情況,嚴重影響了正常的采掘接替關(guān)系,造成采掘銜接緊張的局面。

為了解決 3號煤層工作面二次復用巷道受采動影響變形嚴重的問題,結(jié)合新元公司具體地質(zhì)條件和實踐經(jīng)驗,應用實施了桁架錨索支護技術(shù),通過在東四正巷內(nèi)試驗,取得了較好的效果。

1 地質(zhì)概況

東四正巷為 310103工作面、310104工作面回采巷道,屬二次復用巷道。東四正巷沿 3號煤層頂板起底掘進,巷道設計為矩形斷面。正巷與中間巷之間煤柱寬 22m,正巷與中間巷、副巷與中間巷之間分別施工聯(lián)絡橫貫,正巷與中間巷之間相鄰橫貫間距 100m,副巷與中間巷之間相鄰橫貫間距 50m。

3號煤層平均厚度 2.60m,煤質(zhì)松軟,煤層含1～2層泥質(zhì)夾矸,厚度一般為 0.02～0.1m,節(jié)理裂隙發(fā)育,裂隙間距 0.1～0.5m,易產(chǎn)生離層破壞和垮落。3號煤層頂板為多層泥巖組成的復合頂板,平均厚 7.3m,基本頂為砂巖,平均厚 2.38m,底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖,平均厚 1.96m。

2 東四正巷原支護形式及存在問題

2.1 原支護技術(shù)方案

東四正巷全長 1846m,巷道設計為矩形斷面,寬 4.5m,高 3m,支護形式和支護參數(shù)如下：

(1)東四正巷支護形式 頂部采用W鋼帶、金屬網(wǎng)、錨桿、錨索聯(lián)合支護。兩幫采用錨桿、金屬網(wǎng)、木托板支護。巷道頂部每排布置 5根錨桿、2根錨索,長、短錨索隔排交替布置,間排距為800 mm;幫錨桿每排每幫各 3根,間距 1000mm,排距 800mm,網(wǎng)采用菱形金屬網(wǎng)。

(2)頂、幫支護材料規(guī)格 W鋼帶為 4500mm×220mm ×4mm(長 ×寬 ×厚);頂、幫錨桿為左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿 φ20mm×2200mm;錨索為 φ15.24mm ×6300mm, φ17.8mm ×10300mm;錨索托梁為特制加強型鑄鐵托梁;頂網(wǎng)為金屬菱形網(wǎng) 5200mm×1000mm(長 ×寬);幫網(wǎng)為金屬菱形網(wǎng) 2600mm ×1000mm(長 ×寬 )。

2.2 存在的問題

(1)3號煤厚層泥巖頂板自穩(wěn)能力差,無穩(wěn)定的上位巖層供懸吊之用。

(2)巷道支護系統(tǒng)在二次動壓影響下受到嚴重破壞,出現(xiàn)大量錨索被拉斷,頂板W鋼帶出現(xiàn)折斷、撕裂等;幫錨桿因煤體破壞坍塌而外露懸空,大量的幫錨桿木托板出現(xiàn)折斷失效。

(3)整修壓垮巷道時,施工難度及危險性極高,威脅礦井安全生產(chǎn)。

(4)對于壓垮嚴重的巷道需重新補掘巷道,導致礦井采掘接替關(guān)系異常緊張,甚至出現(xiàn)隊組停產(chǎn)數(shù)月的局面。

3 錨索桁架控制系統(tǒng)支護原理及總體支護方案

3.1 錨索桁架控制系統(tǒng)支護原理

鋼絞線預拉力桁架是將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點和承載結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),采用高預拉力對拉并鎖緊兩根鋼絞線,在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時提供擠壓應力的主動支護結(jié)構(gòu),從而使得錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體處于鉛垂方向擠壓和水平方向擠壓狀態(tài),錨索桁架系統(tǒng)預緊力引起的主動力使巷道頂板產(chǎn)生向上的位移趨勢,使頂板的下沉被部分抵消。在巷道頂板的彎曲變形過程中,錨索受到的拉應力增加,錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體受到的擠壓力也隨之增加,鋼絞線預拉力桁架系統(tǒng)的基本原理如圖 1所示。

圖1 鋼絞線預拉力桁架系統(tǒng)基本原理

鋼絞線預拉力桁架與單體錨索支護所用材料、施工機具及工藝十分接近,由預應力高強度鋼絞線、鎖具和錨固劑組成,另需配置專用桁架連接器,施加預拉力的機具和單體錨索通用。單體錨索與頂板圍巖是點接觸,而桁架則是拉緊的鋼絞線與頂板形成線接觸,作用范圍大,松散破碎頂板受力狀態(tài)好。

3.2 支護技術(shù)方案

3.2.1 東四正巷支護方案及支護參數(shù)

采動劇烈影響的東四正巷巷道斷面為矩形布置,在適當提高支護強度的同時應用了桁架式錨索,具體支護形式及參數(shù)如圖 2所示。

頂板支護由錨桿、錨索支護變?yōu)槿^索支護,并在每兩排錨索之間增加一組桁架錨索。

圖2 東西正巷支護方案

桁架錨索采用 φ17.8mm,1×19股高強度高延伸率預應力鋼絞線,錨索長度為 9.4m,采用φ23mm×1200mm的中速樹脂藥卷,錨固長度為1200mm。桁架錨索系統(tǒng)的底部跨度為 2.1m,錨索孔口距支護煤幫 1.2m,錨索鉆孔與鉛垂線的夾角為 20°。桁架錨索的排距為 1.6m。桁架錨索及時送入鉆孔并采用與 φ17.8mm鋼絞線相配套的鎖具及其專用桁架錨索連接器連接好,等候至少 30min后用張拉千斤頂張拉至預緊力 160kN。

其余和原支護相同。

3.2.2 施工工藝

采用兩掘兩錨的方法施工,在巷道壓力增大、瓦斯超限或遇其他地質(zhì)情況條件下施工采用一掘一錨的方法施工。當頂板比較破碎時,應適當縮小循環(huán)進度和控頂范圍,還應加快支護速度和縮短空頂懸露時間。采用 S200M型掘進機沿 3號煤層頂板掘進,綜掘時施工工藝流程為：開機前準備→掘進機割煤、裝煤和運煤→臨時支護→錨桿、錨索支護→聯(lián)網(wǎng)→清理現(xiàn)場→下個循環(huán)。綜掘面機械設備配備見表 1

表1 綜掘面機械設備配備

3.3 礦壓及頂板離層觀察情況

(1)礦壓觀察情況 東四正巷試驗段在采動劇烈影響所觀測的 100d中,巷道斷面收斂率和原支護比大大減小,兩幫移近量最大不超過 248mm,頂?shù)装逑鲁亮孔畲蟛怀^ 125mm,其中頂板支護情況良好。

桁架錨索所形成的閉鎖結(jié)果控制住了頂板,致使礦山采動壓力傳遞到煤幫以及底板。

(2)頂板離層觀察情況 東四正巷試驗段在采動劇烈影響所觀測的 100d中,頂板離層平均值為 15.26mm,遠小于原支護方案的離層值。

4 結(jié)束語

(1)桁架錨索聯(lián)合控制系統(tǒng)改善了巷道支架-圍巖關(guān)系,形成了頂板預應力支承結(jié)構(gòu)和幫桁架結(jié)構(gòu),在受采動影響后巷道圍巖變形量與原支護相比顯著減小,使用期間基本無需維護。

(2)試驗段巷道進行的桁架錨索施工過程中沒有出現(xiàn)原支護時的冒頂事故,頂板沒有發(fā)生大的離層,巷道圍巖穩(wěn)定,從而提高了工人的安全生產(chǎn)條件,消除了冒頂事故,減少了處理事故、維修巷道的時間,確保生產(chǎn)銜接正常接替。

TD353

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1006-6225(2010)04-0076-02

2010-06-10

陳寶元 (1987-),男,山西陽泉人,現(xiàn)就讀于中國礦業(yè)大學文昌校區(qū)應用技術(shù)學院。

王興庫]