余文彬

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集第三煤礦,安徽淮南 232096)

深井動(dòng)壓影響沿空掘巷錨梁網(wǎng)支護(hù)技術(shù)

余文彬1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集第三煤礦,安徽淮南 232096)

AnchoredM esh and Beam Supporting Technology of Roadway Driven along Gob Influenced by Dynam ic Pressure in DeepM ine

介紹了深部煤層沿空掘進(jìn)巷道在受本煤層及上覆煤層雙重采動(dòng)影響下的支護(hù)方案和圍巖變形情況,分析了采動(dòng)壓力對(duì)掘進(jìn)巷道的影響范圍和加固方法。

深井;動(dòng)壓影響;沿空掘巷;錨梁網(wǎng);支護(hù)參數(shù)

1 試驗(yàn)巷道位置及采礦地質(zhì)條件

1.1 試驗(yàn)巷道位置

1492(1)工作面位于潘三井田西二采區(qū),南鄰本煤層 14102(1)采空區(qū),南部為 1482(3)工作面,東邊以西二采區(qū)下山為界;北部 13-1煤的 1462(3)工作面正在回采,西三膠帶機(jī)大巷及西三軌道上山正在掘進(jìn)。工作面走向長 1462m,傾斜長 230m,回采 11-2煤層,煤厚 1.4～2.15m,均厚 1.7m,煤層傾角 5～9°,平均 7°。試驗(yàn)巷道為 1492(1)運(yùn)輸巷,巷道埋深 857m。

1.2 頂?shù)装鍘r性結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)資料,11-2煤層之上有 2層偽頂,一層是灰色泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的泥巖,含少量砂質(zhì)成份,見較多植化碎片,厚 0.3～0.9m,平均 0.5m;另一層是灰黑色的炭質(zhì)泥巖,水平層理,較破碎,厚度0.2～0.4m,平均 0.3m;偽頂上面是薄層狀的泥巖直接頂,深灰色,泥質(zhì)膠結(jié),含少量砂質(zhì)成份,厚 0.8～3.0m,平均 1.0m;基本頂是青灰～灰色的粉細(xì)砂巖,厚 0～3.45m,平均 2.3m。

煤層底板是厚度 0～3.3m、平均 1.7m泥巖,泥巖之下是中砂巖,厚度 0～4.5m,平均 1.5m。

1.3 采礦條件及支護(hù)影響因素

1.3.1 采礦條件

本工作面相鄰的下階段為 14102(1)工作面采空區(qū)。14102(1)工作面軌道巷與 1492(1)工作面運(yùn)輸巷之間留有 7.7m護(hù)巷煤柱。

14102(1)工作面正上方是即將回采的 13-1煤層 1482(3)工作面。1482(3)工作面軌道巷與1492(1)運(yùn)輸巷在水平上的平距10m左右。13 -1煤層位于 11-2煤層之上,與 11-2煤層之間的層間距約60m。

1.3.2 雙重采動(dòng)支承壓力的作用和破壞

試驗(yàn)巷道沿 14102(1)工作面采空區(qū)掘進(jìn),與 14102(1)面軌道巷留有7.7m護(hù)巷煤柱。在地層壓力的作用下,護(hù)巷煤柱將會(huì)受到嚴(yán)重破壞,其承載能力大大降低。采空區(qū)邊緣煤層及頂板中存在的采場(chǎng)固定支承壓力將會(huì)始終作用于試驗(yàn)巷道及其圍巖上,在試驗(yàn)巷道的圍巖中產(chǎn)生集中壓力。

當(dāng) 1482(3)工作面回采時(shí),其超前支承壓力在底板巖層中傳遞將在巷道圍巖中產(chǎn)生集中應(yīng)力,形成所謂移動(dòng)采動(dòng)壓力,并作用于試驗(yàn)巷道,對(duì)其產(chǎn)生重大影響,甚至破壞。即使 1482(3)工作面回采過后,其采動(dòng)支承壓力也不會(huì)很快消失。

1.3.3 頂板巖層移動(dòng)對(duì)頂板支護(hù)產(chǎn)生破壞作用

14102(1)工作面收作后,由于以下原因,其上覆巖層的運(yùn)動(dòng)還不會(huì)完全停止:一是與工作面收作間隔時(shí)間不長;二是工作面采深 900m左右,其覆巖的沉降時(shí)間較長。另外,由于 14102(1)工作面的回采屬于非充分采動(dòng),本工作面的回采也可能會(huì)引起上覆巖層的進(jìn)一步活動(dòng),采空區(qū)及采空區(qū)邊緣上覆巖層的運(yùn)動(dòng)或移動(dòng),將對(duì)巷道產(chǎn)生動(dòng)壓,并可能會(huì)在頂板巖層內(nèi)產(chǎn)生層面應(yīng)力,對(duì)頂板和支護(hù)產(chǎn)生破壞作用。

1.3.4 巷道頂板軟弱破碎

巷道下部頂板是由兩層偽頂、薄層直接頂構(gòu)成,包括薄層軟弱的炭質(zhì)泥巖,直接頂也是軟弱破碎的泥巖,裂隙發(fā)育。巷道在掘進(jìn)時(shí)或背護(hù)不好時(shí)會(huì)發(fā)生漏頂或冒頂。由于巷道埋深達(dá) 800m以上,地壓大,這些軟弱的偽頂和直接頂即使在掘進(jìn)時(shí)不碎,也會(huì)在隨后的頂板壓力下很快破碎。直接頂?shù)钠扑?不僅造成頂板的局部漏頂,嚴(yán)重的會(huì)造成頂板錨桿和錨索的松動(dòng)或卸載。

2 試驗(yàn)巷道支護(hù)方案

2.1 巷道布置層位與巷道斷面

巷道布置在 11-2煤層中,破偽頂掘進(jìn)。巷道斷面形狀為斜梯形,上寬 5m,下寬 5.4m,中高2.8m,斷面積 14.56m2。

2.2 頂板支護(hù)

巷道采用錨梁網(wǎng)支護(hù)。巷道頂板采用采用 2種支護(hù)單元進(jìn)行支護(hù):第 1支護(hù)單元由錨桿、錨索配合W型鋼帶、鋼筋背板組成。每根W型鋼帶上布置 3根錨桿、2根錨索。巷道兩肩窩處錨桿按與頂板層面成 70°分別錨入頂板,巷道中部 1根錨桿穿過W型鋼帶垂直頂板層面錨入頂板。2根錨索布置在巷道頂板兩邊,并按與頂板層面成 70°分別錨入頂板。鋼筋背板緊貼頂板沿巷道縱向鋪設(shè),相鄰的兩塊鋼筋背板相互鉸接,鉸接處用 12號(hào)鐵絲連接。第 2支護(hù)單元由槽鋼梁和錨索組成。沿巷道頂板中心線縱向?qū)ΨQ布置 2排錨索,槽鋼梁壓在W型鋼帶的外面。沿巷道縱向,相鄰的 2根槽鋼梁不搭接。沿橫向,兩根槽鋼梁錯(cuò)開一個(gè)棚距布置。每根槽鋼梁上安裝 3根錨索,穿過槽鋼梁垂直頂板錨入。所有錨索在安裝時(shí),都在錨具與錨索鋼墊板之間加裝木墊板。

錨桿的規(guī)格為超高強(qiáng) <22mm×2500mm,錨索的規(guī)格為 <18mm×7500mm。W型鋼帶的規(guī)格為4800mm×200mm×5mm。槽鋼的規(guī)格為 14b號(hào)普通熱軋槽鋼,長2200mm。

2.3 巷幫支護(hù)

巷幫采用錨桿 +W鋼帶 +鋼筋網(wǎng) (或金屬網(wǎng))支護(hù)。錨桿采用螺紋鋼桿體,<22mm×2500mm,桿體屈服強(qiáng)度不小于 440MPa;W鋼帶長 1900mm,寬200mm,厚 5mm;鋼筋網(wǎng) (或 8號(hào)金屬網(wǎng))上幫3100mm×900mm,下幫 2500mm×900mm,用12號(hào)鐵絲將相鄰鋼筋網(wǎng) (或金屬網(wǎng))扎扣聯(lián)接。鋼筋網(wǎng) (或金屬網(wǎng))孔不大于 40mm2。

鋼筋網(wǎng) (或金屬網(wǎng))緊貼煤幫從上至下鋪設(shè),并與頂板鋼筋背板聯(lián)接。沿巷道縱向,相鄰 2塊鋼筋網(wǎng) (或金屬網(wǎng))相互搭接,搭接寬度 100mm,搭接處用 12號(hào)鐵絲聯(lián)接。W型鋼帶梁沿巷道縱向鋪設(shè)。同一排相鄰的兩根鋼帶相互搭接并壓緊鋼筋網(wǎng) (或金屬網(wǎng))。除巷幫底角錨桿按俯角 20°錨入巷幫外,其余巷幫錨桿穿過W鋼帶垂直巷幫錨入煤幫。巷道上幫高 3100mm左右,下幫高 2500mm左右。上、下幫均安裝 4排錨桿,上幫錨桿間距850mm左右,下幫錨桿間距 750mm左右。上、下幫的上部錨桿距頂板 200～300mm。在兩根鋼帶搭接處,錨桿從搭接孔中插入巷幫。

試驗(yàn)巷道錨梁網(wǎng)支護(hù)方案見圖 1。

圖1 試驗(yàn)巷道錨梁網(wǎng)支護(hù)方案

3 采動(dòng)影響分析

1492(1)工作面與 1482(3)工作面巷道掘進(jìn)相向推進(jìn)。1482(3)工作面推進(jìn)與 1492(1)運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)空關(guān)系見表 1。

表 1 1482(3)工作面與巷道掘進(jìn)時(shí)空關(guān)系

根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果,1482(3)工作面開采時(shí),對(duì) 1492(1)運(yùn)輸巷產(chǎn)生了較大的影響。具體見表2。

1～8號(hào)測(cè)站先后經(jīng)歷 1482(3)工作面超前壓力影響和滯后壓力影響,由于 1～4號(hào)測(cè)站距離上山交岔口 245m以內(nèi),且觀測(cè)結(jié)束前,該范圍內(nèi)的測(cè)站滯后影響未觀測(cè)。由表 2可見,兩幫和頂?shù)自谕粶y(cè)站受影響范圍不同,大體超前影響范圍在90～250m,滯后影響范圍在 60～210m。

表 2 1482(3)工作面對(duì)運(yùn)輸巷影響范圍統(tǒng)計(jì)

9～11號(hào)測(cè)站同時(shí)受到巷道自身掘進(jìn)影響和1482(3)工作面超前壓力影響,兩者疊加。9號(hào)測(cè)站滯后影響范圍 150m左右,10號(hào)、11號(hào)測(cè)站影響范圍較大,分析其原因?yàn)檫@兩個(gè)測(cè)站圍巖條件差,頂板破碎,受采動(dòng)影響后需較長時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。

12～14號(hào)測(cè)站已逐漸遠(yuǎn)離 1482(3)工作面,滯后影響或與巷道掘進(jìn)影響疊加或者不受滯后影響,其中 12號(hào)測(cè)站開始監(jiān)測(cè)時(shí)已距工作面 140m,而該測(cè)站初期圍巖位移速度大,可能稍有滯后影響,而 13,14號(hào)測(cè)站已距 320m以上,可認(rèn)為已無滯后影響。

由于所處圍巖條件和與工作面距離的不同,各個(gè)測(cè)站受采動(dòng)影響和范圍是不完全一致的。以 5號(hào)測(cè)站、6號(hào)測(cè)站和 11號(hào)測(cè)站兩幫變形曲線為特例,分析 1482(3)工作面對(duì)巷道圍巖變形的影響范圍和程度,分別見圖 2～圖 4所示。

圖 2 5號(hào)測(cè)站兩幫受采動(dòng)影響階段變形曲線

圖 3 6號(hào)測(cè)站兩幫受采動(dòng)影響階段變形曲線

由圖 2可見,5號(hào)測(cè)站圍巖條件好,因此,受工作面采動(dòng)影響不明顯。在穩(wěn)定期內(nèi)圍巖速度為 1～3mm/d,當(dāng)工作面距離該測(cè)站約 120m時(shí),圍巖位移速度稍有增大約 4～5mm/d,變化不明顯;工作面推過該測(cè)站約 20m后,圍巖速度達(dá)到 12mm/ d,但持續(xù)時(shí)間很短,推過 50m之后,圍巖位移速度又降低到約 2mm/d,表明該測(cè)站受工作面推進(jìn)影響不大。

由圖 3可見,6號(hào)測(cè)站受到了明顯的采動(dòng)影響,在穩(wěn)定期內(nèi)變形速度僅為 1～3mm/d。當(dāng)工作面距離該測(cè)站約 95m時(shí),圍巖位移速度急劇增大,達(dá) 35mm/d,而后保持 5～20mm/d的速度,推過136m后,圍巖位移速度明顯降低,約 5mm/d,表明滯后影響大致距離為 136m。

圖 4為 11號(hào)測(cè)站兩幫受采動(dòng)影響階段變形曲線。由圖 4可見,11號(hào)測(cè)站開始布設(shè)時(shí)距離工作面僅 20余米,巷道自身掘進(jìn)影響與上部工作面采動(dòng)影響重疊,致使該測(cè)站初始位移速度達(dá) 50mm/ d,相比相同圍巖條件下自身掘進(jìn)影響時(shí)位移速度要大的多,而后維持 15～25mm/d的速度,工作面推過約 374m后圍巖位移速度僅為 1～3mm/d,表明圍巖進(jìn)入穩(wěn)定期。

圖 4 11號(hào)測(cè)站兩幫受采動(dòng)影響階段變形曲線

1482(3)工作面的回采對(duì) 1492(1)運(yùn)輸巷掘進(jìn)產(chǎn)生較大影響,包括宏觀變形、支護(hù)體破壞等情況。

1482(3)工作面與 1492(1)運(yùn)輸巷掘進(jìn)頭于2008年 12月 8日交匯?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),在 1482 (3)工作面前方水平距離約 100m范圍內(nèi),1492 (1)運(yùn)輸巷圍巖變形明顯加快,頂板下沉速度和下沉量明顯增大,頂部少數(shù)錨索穿孔,槽鋼與鋼帶變形嚴(yán)重,小煤柱側(cè)幫部錨桿少量被擠出失效,幫部扁鋼沿孔撕裂,斷面收縮和來壓較為明顯。

2008年 12月 19日工作面推進(jìn)距離為 588m,此時(shí)工作面與掘進(jìn)頭相距約 93m。受工作面采動(dòng)影響,頂?shù)装遄冃蝿×?尤其是底鼓量明顯,在此期間,巷道底鼓達(dá) 400～500mm。處于工作面正下方的運(yùn)輸巷補(bǔ)打 <22mm錨索;與工作面水平距離 40～52m范圍內(nèi)采用套棚加強(qiáng)支護(hù),防止頂板冒落。

2009年 1月 1日工作面推進(jìn)距離為 664m,此時(shí)工作面與掘進(jìn)頭相距約 240m。受工作面采動(dòng)影響,與工作面水平距離 0～40m和 80～116m內(nèi)分別安裝 79根和 50根木點(diǎn)柱,用以加強(qiáng)支護(hù),距工作面 30m附近的 3根木點(diǎn)柱很快發(fā)生劈裂或折斷;工作面前后 40m和 95m范圍內(nèi)底鼓量顯著增大。

2009年 1月 8日工作面推進(jìn)距離約為 710m。受工作面采動(dòng)影響,滯后的 30～100m范圍內(nèi) 12根錨索發(fā)生破斷或穿孔,表明頂板來壓明顯;超前30m內(nèi),巷幫變形大,尤其是小煤柱側(cè)部分扁鋼沿錨桿孔撕開。

2009年 2月 20日工作面推進(jìn)距離約為 915m。與工作面水平超前距離 145～165m范圍內(nèi),由于頂板破碎,同時(shí)受到工作面采動(dòng)影響,頂板槽鋼變形嚴(yán)重,8根錨索發(fā)生破斷或穿孔;在滯后距離 20～36m范圍內(nèi),頂板完整,表現(xiàn)為頂板槽鋼緊貼頂板,且有一定變形,表明受采面影響壓力較之前有所增大。

以上僅分析了宏觀變形比較明顯的地段,由此可見,頂板錨索破斷或穿孔、宏觀變形明顯的地段均在頂板巖層破碎、存在斷層的地段,同時(shí)也是經(jīng)歷多次加強(qiáng)支護(hù)的地段,而頂板條件較好的地段,來壓情況不十分明顯。例如,距上山交岔口 702～738m和 788～858m,由于斷層 Fa3,Fa4,Fa5, Fa6在巷道走向方向分布較為集中,其中 Fa3,Fa5斷層較大,橫貫巷道,該范圍內(nèi)頂板破碎,支護(hù)困難,受采動(dòng)影響后,先后經(jīng)歷了補(bǔ)強(qiáng) <22mm錨索、架設(shè)木點(diǎn)柱、套棚、單體支柱 +工字鋼走向棚支護(hù)等;而 2008年10月份掘進(jìn)的500m,除受 Fa1斷層影響的 30m范圍外,其余頂板條件好,來壓影響并不明顯。

4 結(jié)束語

根據(jù)表 2運(yùn)輸巷影響范圍的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,上覆煤層對(duì)其下方沿空掘進(jìn)巷道的采動(dòng)影響以不同測(cè)站的影響范圍和程度為依據(jù),可將采動(dòng)影響巷道劃分為3部分:一是不受采動(dòng)影響,如 12～14測(cè)站;二是采動(dòng)影響與巷道自身掘進(jìn)影響重合,如 9～11測(cè)站;三是巷道經(jīng)歷穩(wěn)定期后再次受采動(dòng)影響,如 1～8測(cè)站。

上覆采動(dòng)對(duì)其下方沿空掘進(jìn)巷道的超前影響距離在 90～250m不等,平均兩幫為 145m,頂?shù)诪?75m;上覆采動(dòng)對(duì)其下方沿空掘進(jìn)巷道的滯后影響距離 60～340m不等,平均兩幫為 185m,頂?shù)诪?91m。

上覆采動(dòng)對(duì)其下方沿空掘進(jìn)巷道采動(dòng)影響還與巷道的圍巖性質(zhì)有關(guān),圍巖條件好,受超前和滯后影響范圍較小;圍巖條件差,自穩(wěn)時(shí)間長,超前和滯后影響范圍較大。

[責(zé)任編輯:王興庫]

TD353

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1006-6225(2010)05-0055-04

2010-06-09

余文彬 (1967-),男,安徽潛山人,高級(jí)工程師,在讀工程碩士,現(xiàn)任淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集第三煤礦副總工程師。