張建華,趙 軍,趙貴彬

(1.呼倫貝爾學(xué)院,內(nèi)蒙古海拉爾 021008;2.大雁二礦,內(nèi)蒙古大雁 021122)

復(fù)合支護(hù)技術(shù)在“三軟”煤層綜放回采巷道中的應(yīng)用

張建華1,趙 軍2,趙貴彬2

(1.呼倫貝爾學(xué)院,內(nèi)蒙古海拉爾 021008;2.大雁二礦,內(nèi)蒙古大雁 021122)

Application of Combined Supporting Technology in Roadway of Fully-mechan ized Caving M in ing Face with Soft Roof,Soft Coal and Soft Floor

隨著開采深度的不斷增加,“三軟”煤層綜放回采巷道失穩(wěn)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,巷道維護(hù)非常困難。大雁二礦經(jīng)過不斷探索與實踐,利用預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)技術(shù),在“三軟”煤層綜放回采巷道支護(hù)方面取得了成功。

復(fù)合支護(hù);“三軟”煤層;預(yù)應(yīng)力錨索

1 工作面概況

大雁二礦現(xiàn)已采至三水平 (50m水平),開采深度為 540～600m,30號煤層為該水平的主采煤層,褐煤,屬白堊系下統(tǒng)大磨拐河組中部含煤巖段,其煤層走向為 215～244°,傾向為 305～334°。三水平二段綜放工作面位于第 12勘探線至第 18勘探線之間,煤層平均厚 13.85m;兩巷高 2.5m,寬3.5m;端口處斷面高 3.05m,寬 4.0m;頂煤平均厚度 8.96m,底煤平均厚度為 2.39m;煤層傾角最大 21°,最小 15°,平均 17°;煤層結(jié)構(gòu)為:3.75 (0.25)m,8.63(0.08)m,1.14m。煤質(zhì)硬度系數(shù) f=2～3,直接頂為 0.93m厚的粉砂質(zhì)泥巖,固結(jié)性較差,較軟;基本頂為 4.8m厚的中砂巖,膠結(jié)程度較差,較松散;直接底為 1.45m厚的泥巖,固結(jié)性較好。屬典型的“三軟”煤層工作面。由于綜放工作面兩巷斷面大,圍巖又不穩(wěn)定,采用棚式支架、“錨桿 +金屬網(wǎng)”等支護(hù)形式,經(jīng)常出現(xiàn)前掘后翻的現(xiàn)象,都不能達(dá)到有效維護(hù)巷道的目的。

2 回采巷道失穩(wěn)因素分析

2.1 圍巖性質(zhì)

三水平二段綜放面煤層頂?shù)装寰鶠槟噘|(zhì)巖層,膠結(jié)程度較差、比較松軟,巖層的風(fēng)化、泥化、吸水潮解、流變等性能較強(qiáng),導(dǎo)致煤層圍巖的抗壓強(qiáng)度極低,只有 1.01～9.06MPa;煤層層理較發(fā)育,含有 2層軟弱夾層,夾層面較光滑;夾層和圍巖中均含有伊利石和高嶺石等吸水礦物,吸水導(dǎo)致煤體和巖體膨脹,膨脹率為 0.15%～11.39%。這些性質(zhì)的存在,對綜放工作面回采巷道的穩(wěn)定造成了不同程度的影響。

2.2 水文地質(zhì)條件

三水平二段綜放工作面受向斜褶曲影響,煤層節(jié)理裂隙發(fā)育,煤層含有少量的裂隙水;在本工作面上部是三水平一段采空區(qū),有采空區(qū)積水;煤層頂板砂巖中含水等。由于受采動影響,將使這些水沿煤巖裂隙向下流動,使煤層富水。又由于煤層夾層及圍巖中含有伊利石和高嶺石等,當(dāng)煤層和巖層中含水時,伊利石和高嶺石等將吸水膨脹,導(dǎo)致巖層潮解、泥化和流變,使煤層和圍巖的強(qiáng)度大大減弱、自承力大大降低,從而引起回采巷道失穩(wěn)。

另外,煤層富水,也會使煤層底板泥巖吸水膨脹,造成底鼓使巷道失穩(wěn)。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

三水平二段綜放工作面呈寬緩向斜構(gòu)造賦存,向斜軸位于第 13勘探線附近,并且該工作面內(nèi)有5條三維地震斷層,斷層落差平均為 0～4m。由于向斜構(gòu)造和斷層的存在,導(dǎo)致煤層破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、壓力增大,造成綜放工作面回采巷道頂板冒落,底板鼓起。

2.4 開采深度

隨著開采深度的增加,礦山壓力也越來越大,回采巷道的穩(wěn)定性也越來越差。三水平二段綜放工作面開采深度為 540～600m,根據(jù)計算可知,由上部巖體重量引起的垂直應(yīng)力為 12.38～14.02MPa,而煤層和頂板泥巖的抗壓強(qiáng)度分別為 9.13MPa和3.91MPa,所以,在巖體自重作用下,回采巷道會受到破壞。

2.5 煤層中軟弱夾層

三水平二段綜放工作面煤層中含有 2層軟弱夾層,厚度分別為 0.08m和 0.25m。在煤層及圍巖原始應(yīng)力狀態(tài)破壞后,煤層及圍巖的應(yīng)力重新分布,在煤巖應(yīng)力的重新分布過程中,煤層受剪切應(yīng)力作用后,將沿軟弱夾層面移動,促使回采巷道也沿軟弱夾層錯移,進(jìn)而導(dǎo)致回采巷道失穩(wěn)。

3 預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)作用機(jī)理

隨著開采深度的增加,圍巖壓力越來越大,礦壓顯現(xiàn)越來越強(qiáng)烈,原先采用的棚式支架或“錨桿 +金屬網(wǎng)”支護(hù)已不能有效地支護(hù)巷道。經(jīng)過大量的試驗研究,在圍巖壓力大、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的“三軟”煤層巷道,采用“錨索 +錨桿 +金屬網(wǎng)”的支護(hù)形式是行之有效的。

錨桿長度小,形成的壓力圈薄且離巷道壁近,這個壓力圈的自承載能力較小。在開采深度淺,巷道礦壓小、圍巖松動圈薄時,錨桿的支護(hù)作用很明顯;而在開采深度大,巷道礦壓大、圍巖松動圈厚度大時,錨桿的支護(hù)作用很難發(fā)揮。錨索的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨桿,承載能力強(qiáng),在預(yù)應(yīng)力作用下形成的圍巖壓力圈厚度大而且向巷道周圍縱深發(fā)展較遠(yuǎn),在圍巖破碎、礦壓較大的情況下,錨索形成的壓力圈恰好給錨桿提供了一個可靠的支護(hù)依托,形成大小 2個圍巖壓力圈共同作用支護(hù)的狀況。此時,錨索形成的大壓力圈除自承能力外,還承受巷道深部圍巖的重量及壓力,并將壓力轉(zhuǎn)移到深部圍巖,大大減小錨桿形成的小壓力圈的壓力,成為小壓力圈的保護(hù)圈。

由于錨索長度大,間距也很大,在預(yù)應(yīng)力作用下形成壓力區(qū)的同時,兩錨索之間還會形成較大的拉應(yīng)力區(qū)。而錨桿短,間距小,當(dāng)錨桿的長度適當(dāng)時,可基本消除錨索之間的拉應(yīng)力,錨索壓力區(qū)和錨桿壓力區(qū)組合成厚度更大的壓力圈。

錨索可以把大塊的松動巖石懸吊于深部巖層中,對小塊危巖則發(fā)揮不了作用;而錨桿可把小塊危巖懸吊于錨索壓力圈上。

金屬網(wǎng)可保護(hù)錨桿之間的圍巖,形成 “錨索+錨桿 +金屬網(wǎng)”支護(hù)體系。

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)技術(shù)參數(shù)的確定

針對“三軟”煤層綜放回采巷道斷面大、圍巖應(yīng)力大等特點,經(jīng)反復(fù)試驗,確定巷道支護(hù)參數(shù),每 3.2m打 2根錨索,配 2m長的鋼帶,在端口大斷面處及局部破碎段改為每 1.6m打 2根錨索。預(yù)應(yīng)力錨索 +錨桿 +金屬網(wǎng)復(fù)合支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 錨索錨桿支護(hù)斷面

錨桿為 <16×1800mm樹脂錨桿,1個樹脂藥卷錨固;錨索為 <15.24×5500mm,3個樹脂藥卷錨固;錨桿托盤為 120mm×120mm×8mm鐵托盤;錨索托盤為 200mm×200mm×8mm鐵托盤;鋼帶為2000mm×10mm×5mm;錨桿間排距為 750mm ×800mm;錨索間排距為 1500mm×3200mm; 1500mm×1600mm(端口大斷面處及局部破碎段);金屬網(wǎng)規(guī)格為 6000mm×900mm,用12號鍍鋅鐵絲編制;錨桿錨固力為 60～70kN;錨索預(yù)緊力為 60～80kN。

錨索垂直頂板向上打眼;頂板兩側(cè)的錨桿向外傾斜 70～80°打眼,兩幫的上下錨桿分別向上、向下傾斜 70～80°打眼。

3.3 礦壓觀測分析

在三水平二段綜放工作面運輸平巷掘進(jìn)和回采期間布置了 4個觀測斷面,每個斷面設(shè)置頂、底板和兩幫 4個觀測點,對巷道表面變形量進(jìn)行了觀測,觀測結(jié)果見表 1。

表1 運輸平巷表面位移觀測結(jié)果

從三水平二段綜放工作面運輸平巷表面位移觀測結(jié)果可以看出,“錨索 +錨桿 +金屬網(wǎng)”支護(hù)在掘進(jìn)期間的礦壓顯現(xiàn)不明顯,巷道圍巖變形在 14d左右逐漸穩(wěn)定;而在回采期間,由于巷道受超前采動支承壓力的影響,礦壓顯現(xiàn)比掘進(jìn)期間明顯增大,但不影響巷道的使用,巷道受超前采動支承壓力的影響范圍為 50m左右。支護(hù)效果顯著。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

二礦每年用預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)技術(shù)支護(hù)的回采巷道約 3200m,按翻修費用 900元/m計算,可節(jié)省翻修費 288萬元,按每年平均翻修 2次計算,可節(jié)省翻修費 576萬元。另外,又節(jié)省了一個翻修隊 (組)。同時,保證了回采工作面的正常生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

采用棚式支架或“錨桿 +金屬網(wǎng)”支護(hù)“三軟”煤層綜放工作面回采巷道,巷道出現(xiàn)前掘后翻的占 50%以上,巷道維護(hù)十分困難,嚴(yán)重影響了綜放工作面的正常生產(chǎn)。采用預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)技術(shù) (錨索 +錨桿 +金屬網(wǎng))后,在整個掘進(jìn)和回采期間,巷道穩(wěn)定性非常好,沒有發(fā)生前掘后翻及冒頂事故,有效地解決了“三軟”煤層綜放回采巷道維護(hù)困難的問題,具有很高的推廣應(yīng)用價值,經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分顯著。

[1]東兆星,吳士良.井巷工程 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[2]杜善周 .回采巷道礦壓規(guī)律與錨桿支護(hù)技術(shù)研究 [J].煤炭工程,2006(2):58-60.

[責(zé)任編輯:王興庫]

TD353

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1006-6225(2010)06-0046-02

2010-05-25

張建華 (1961-),男,黑龍江雙鴨山人,教授,現(xiàn)主要從事煤礦開采及安全技術(shù)的教學(xué)、研究工作。