考宏凱,蘇 剛,程晉孝

(淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集第一煤礦,安徽淮南 232082)

超大采高綜采面開切眼錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)

考宏凱,蘇 剛,程晉孝

(淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集第一煤礦,安徽淮南 232082)

AnchoredM esh and Rope Combined Supporting of Open-off Cut in Full-mechan izedM in ing with Extremely LargeM in ing Height

潘一礦針對(duì) 2141(3)超大采高綜采面開切眼斷面大、支護(hù)難的實(shí)際,在支護(hù)體系上大膽創(chuàng)新,采用“錨網(wǎng)索加挑棚和木垛聯(lián)合支護(hù)”,有效控制住了開切眼大跨度、大高度頂板及兩幫圍巖的變形,支護(hù)取得了成功。

超大采高;大斷面切眼;錨網(wǎng)索;挑棚

2141(3)綜采面為淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一礦的第一個(gè)超大采高工作面,根據(jù) ZY10800/30/65綜采支架的安裝需要,綜采面開切眼有效寬度要達(dá) 9m (煤機(jī)窩處最大寬度達(dá) 12m),平均高度 4.2m。對(duì)于這樣大跨度、大高度的開切眼其支護(hù)方式科學(xué)與否,將直接決定支護(hù)安全和綜采支架的安裝使用。因此,該礦在無類似支護(hù)借鑒的情況下,將錨網(wǎng)索支護(hù)的安全風(fēng)險(xiǎn)及地質(zhì)條件進(jìn)行仔細(xì)分析研究,最終確定采用“錨網(wǎng)索加挑棚和木垛聯(lián)合支護(hù)”,并取得了成功。為該礦及同行業(yè)類似地質(zhì)條件下的錨網(wǎng)索支護(hù)提供了借鑒和參考。

1 地質(zhì)概況

2141(3)切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度 180m,掘進(jìn)范圍內(nèi)13-1煤層賦存穩(wěn)定,傾角 5～13°,煤層厚度 0.2～6.5m,平均厚 5.5m。煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖,厚度 0～0.8m,平均 0.4m;直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度 0～1.3m,平均 0.6m;基本頂為中細(xì)砂巖,厚度 5.2～6.8m,平均 6.0m。直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖及 12煤,厚度 0.4～5.1m,平均 3.6m。切眼掘進(jìn)前,地質(zhì)部門預(yù)計(jì)揭露 4條正斷層,實(shí)見 6條,對(duì)掘進(jìn)及支護(hù)影響較大的 f21413-5,f21413 -6斷層,落差均大于 3m。

2 支護(hù)方案論證

2.1 方案選取

根據(jù)切眼斷層分布及頂板巖性分析,該超大采高綜采面切眼的地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜,尤其是中下部90m范圍內(nèi)連續(xù)分布的斷層群無疑從一定程度上破壞了頂板砂質(zhì)泥巖的整體性,給支護(hù)方案的選取帶來了難度。

選用棚式支護(hù)對(duì)頂板巖層結(jié)構(gòu)及整體性的要求相對(duì)較低,但對(duì)其支護(hù)棚的支撐強(qiáng)度有很高要求,尤其是大跨度、大高度棚式支護(hù)的穩(wěn)定性難以保證,該礦常用的 11號(hào)工字鋼、29U型鋼均不能保證切眼刷面后棚梁不發(fā)生墜腰、折斷現(xiàn)象,棚腿不發(fā)生扭彎、斷裂現(xiàn)象。一旦發(fā)生上述現(xiàn)象,棚式支護(hù)將失效或強(qiáng)度降低,不能保證其支護(hù)安全,同時(shí),棚式支護(hù)給支架安裝帶來的替棚工作也相對(duì)復(fù)雜。因此,棚式支護(hù)不符合該切眼支護(hù)實(shí)際。

于是,在仔細(xì)分析了頂板巖性及上、下風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分布情況后,參考其他普通大采高綜采面支架組裝硐室 (寬 ×高 =5000mm×6000mm)錨網(wǎng)索支護(hù)的經(jīng)驗(yàn),決定采用“錨網(wǎng)索加挑棚和木垛聯(lián)合支護(hù)”。理由主要有 3個(gè):一是該切眼 13-1煤層基本頂是厚層中細(xì)砂巖,能通過長(zhǎng)錨索將錨固端錨入較穩(wěn)定的中細(xì)砂巖中,能實(shí)現(xiàn)頂板表層應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。二是在采用高強(qiáng)度、高剛度錨網(wǎng)索支護(hù)的基礎(chǔ)上通過走向挑棚、木垛的輔助支護(hù),可以達(dá)到減小切眼跨度,提高錨網(wǎng)索支護(hù)安全性的目的,尤其是切眼中下部斷層群分布區(qū),連續(xù)的挑棚、木垛輔助支撐,將一定程度上改善頂板巖層結(jié)構(gòu)的整體性。三是該礦在普通大采高綜采面煤巷掘進(jìn)支架組裝硐室的錨網(wǎng)索支護(hù)有一定經(jīng)驗(yàn),對(duì) 13-1煤層頂板、兩幫煤體開掘后的應(yīng)力分布及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律比較清楚,有利于調(diào)整支護(hù)對(duì)策。

2.2 主要支護(hù)參數(shù)

(1)錨索規(guī)格為 <18mm×6200mm,頂板每排(0.8m控頂距)布置 9根;巷道東幫上部 (2.4m控幫距)各布置 1根。

(2)錨桿規(guī)格為 <20mm×2500mm高強(qiáng)螺紋鋼鋼錨桿及 <20mm×2500mm樹脂錨桿,頂板每排布置 3根,切眼東幫主支護(hù)每排布置 5根,與錨索同排,輔助支護(hù)每 2.4m布置 2根。切眼西幫從頂至底每排布置 5根,與錨索同排,高強(qiáng)螺紋鋼錨桿與樹脂錨桿間隔使用。

(3)鋼梁為 12號(hào)槽鋼,頂板L1=4800mm,L2=4400mm;巷幫L3=2700mm。

(4)巷幫鋼帶為 Q235,規(guī)格為 1900mm × 200mm×3mm(橫向布置)。

(5)頂部托板 (A3鋼加工),規(guī)格 140mm× 90mm×10mm;幫部托板 (舊 29U型鋼加工)規(guī)格150mm×120mm×10mm。

(6)金屬網(wǎng)為 10號(hào)鐵絲編制,規(guī)格根據(jù)巷道斷面確定。

(7)錨固劑型號(hào)為 Z2355,頂部錨桿每孔 2卷,幫部 1卷;錨索每孔 4卷。

(8)頂板錨索間排距 900mm/800mm × 800mm,錨桿間排距 4500mm/4000mm×800mm。

(9)幫部主支護(hù)錨桿間排距 900mm×800mm,輔助支護(hù)錨桿間排距 1200mm×2400mm。

(10)挑棚:正常寬度 (9000mm)布置 5道,煤機(jī)窩處布置 6道。棚梁為 11號(hào)工字鋼,長(zhǎng)度4500mm。第 1道距切眼東幫 2800mm,其余 4道間距850mm。

(11)“一梁四柱”,每根挑棚梁上打 4根支柱,中部支柱為 <180mm×4400mm圓木,其余 3根為DW45單體液壓支柱。

(12)木垛采用優(yōu)質(zhì)道木,規(guī)格為長(zhǎng) ×寬 ×高=1600mm×200mm×200mm,2排,沿切眼居中位置交錯(cuò)布置。正常段間距 10m,應(yīng)力集中區(qū)間距5m。道木的層與層釘牢。

(13)錨索錨固力≥200kN;頂錨桿錨固力≥100kN;巷幫錨桿錨固力≥60kN;樹脂錨固劑粘結(jié)強(qiáng)度≥4MPa;錨索安裝預(yù)緊力≥100kN;錨桿安裝扭矩≥180N·m。

2.3 支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

2.3.1 巷頂支護(hù)

從支護(hù)安全考慮,理論驗(yàn)算時(shí)要求驗(yàn)算切眼的最大支護(hù)強(qiáng)度。則切眼驗(yàn)算全寬時(shí),頂板可能的冒落高度巖石重量 (每米巷道)為:

式中,B是巷道寬度,B=9.0(12.0)m;h是頂板的最大可能冒落高度,結(jié)合 13-1煤層頂板實(shí)際,取 5.0m;γ是巖石密度,γ=25kN/m3。

為確保支護(hù)的完全可靠,理論驗(yàn)算時(shí)暫不考慮頂板錨桿及挑棚和木垛的輔助支護(hù)力,則每米巷道錨索的支護(hù)力為:

式中,N是每排 (控頂距 0.8m)安裝的錨索數(shù)量,N=9;p是 <22mm鋼絞線錨索的最大錨固力, p=350kN;η是錨索破斷力利用系數(shù),η=0.8;s是排距,s=0.8m。

掘進(jìn)初期,不考慮錨桿的懸吊力,全部頂板外載由錨索單獨(dú)承擔(dān),錨索懸吊支護(hù)的安全系數(shù) n:

經(jīng)以上驗(yàn)算,超大采高綜采面切眼頂部支護(hù)布置 9根錨索、3根錨桿配合 12號(hào)槽鋼、10號(hào)鐵絲金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),能滿足支護(hù)要求。同時(shí),為安全起見,再沿切眼走向布置 5道挑棚和 2排木垛,形成聯(lián)合支護(hù)體系,完全能確保支護(hù)安全。

2.3.2 巷幫支護(hù)

巷道開挖后,圍巖應(yīng)力重新分布,巷道兩幫一定深度內(nèi)的煤 (巖)體形成松動(dòng)區(qū)域,此區(qū)域內(nèi)的煤 (巖)體相對(duì)破碎,易片落。巷幫錨桿支護(hù)錨固端必須大于此區(qū)域,伸入松動(dòng)區(qū)域外的穩(wěn)定區(qū),否則支護(hù)將失效,導(dǎo)致片幫。

根據(jù)該礦 13-1煤層錨網(wǎng)索支護(hù)經(jīng)驗(yàn),兩幫煤體受圍巖應(yīng)力重新分布影響后的松動(dòng)區(qū)域,主要位于巷幫中上部,其中集中地點(diǎn)為 1/2巷高位置,其發(fā)育深度最深處為 tan45°×1/2巷高。根據(jù)推算,該切眼兩幫 13-1煤體松動(dòng)區(qū)域發(fā)育最深的地點(diǎn)為煤壁向里2.1m處。

因此,超大采高綜采面切眼兩幫支護(hù)的錨桿長(zhǎng)度必須大于 2.1m,結(jié)合防止幫部煤體松動(dòng)變形必須要求的錨桿錨固力,經(jīng)綜合分析,確定錨桿長(zhǎng)度為 2500mm,內(nèi)錨端長(zhǎng)度為 400mm。同時(shí),為確保巷幫支護(hù)完全可靠,決定在巷幫主支護(hù)的基礎(chǔ)上,在其中上部施工補(bǔ)強(qiáng)錨索配合鋼梁、錨桿輔助支護(hù),從而通過錨索將巷幫松動(dòng)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)的 13-1煤體與煤層頂板緊密聯(lián)系,形成幫、頂聯(lián)合支護(hù)體系,完全控制和支護(hù)兩幫 13-1煤體。

切眼支護(hù)方案見圖 1。

3 施工工藝

為更好地控制頂板及兩幫,整個(gè)切眼分 2次掘進(jìn)。初次掘進(jìn)寬度 5000mm,高度 3200mm;第 2次掘進(jìn)寬度 4000(7000)mm,高度以短距離“正臺(tái)階”推進(jìn)。

圖 1 切眼錨網(wǎng)索加挑棚和木垛聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)方案

初次掘進(jìn)施工工藝:①安全檢查 (頂板、瓦斯、工程質(zhì)量、探頭位置等)→ ②綜掘機(jī)切割(初次切割高度 3.2m)→③敲幫問頂,除掉活矸并找平頂板 →④掛頂部金屬網(wǎng),并聯(lián)網(wǎng) →⑤用挑梁器上頂部槽鋼梁,然后采用 DWB35-30/100單體液壓支柱進(jìn)行臨時(shí)支護(hù) →⑥打頂部錨 (桿)索眼 →⑦安裝頂部錨 (桿)索 →⑧刷幫,鋪巷幫金屬網(wǎng)、鋼帶、槽鋼,打幫部主支護(hù)的上部 3排錨桿及輔支護(hù)的錨桿、錨索,主支護(hù)鋼帶沿橫向鋪設(shè),輔支護(hù)槽鋼沿縱向鋪設(shè) → ⑨掘進(jìn)貫通后,掀、拆出貨設(shè)備 →⑩后退綜掘機(jī)至切眼下口 →自下向上鏟底 (達(dá) 4.2m高)、打幫部主支護(hù)的下部 2排錨桿 →再次掀、拆出貨設(shè)備以及后退綜掘機(jī) →?拉線施工第 1,2,3道挑棚 (“一梁四柱”)和第 1排木垛。

第 2次掘進(jìn)施工工藝:①～⑧道工序與初次掘進(jìn)相同,第⑨道工序開始為:每向前推進(jìn) 30m后,退綜掘機(jī)鏟底至 4.2m高→⑩打幫部主支護(hù)的下部2排錨桿→拉線施工第 4,5道挑棚 (“一梁四柱”)和第 2排木垛。

4 經(jīng)驗(yàn)及建議

由于超大采高綜采面切眼跨度大、高度高,超過該礦有史以來所有綜采面的寬度和高度,無成熟的支護(hù)借鑒經(jīng)驗(yàn)。因此,該礦在探索其支護(hù)方式時(shí),將“一梁四柱”中居中位置的一柱改為<180mm×4400mm木點(diǎn)柱 (原來該礦使用的 “一梁四柱”全部為單體),其他“三柱”為DW45單體液壓支柱。通過實(shí)踐表明,“一柱” (木點(diǎn)柱)對(duì)于該超大斷面切眼大面積頂板來壓時(shí)起到了至關(guān)重要的強(qiáng)支撐作用,其受力超過了同梁上的其他“三柱”單體液壓支柱。

分析認(rèn)為,導(dǎo)致以上現(xiàn)象的原因主要有: DW45單體液壓支柱與巷道頂、底板接觸面積小,尤其是底板,雖然在支柱底端穿了鐵鞋,但受力仍然不均勻,頂板壓力大時(shí),支柱容易插入底板,對(duì)頂板支護(hù)呈“讓勁”狀態(tài);由于 DW45單體液壓支柱自身密封原因,部分支柱存在卸壓,尤其是頂板壓力大時(shí),卸壓現(xiàn)象更嚴(yán)重,且不容易被肉眼看見。因此,實(shí)踐證明超大斷面切眼的挑棚支護(hù)要堅(jiān)持單體液壓支柱和木點(diǎn)柱配合使用,該超大斷面切眼支護(hù)“一梁四柱”中布置 1根木點(diǎn)柱,雖然支護(hù)效果較好,但從受力結(jié)構(gòu)上分析,“一梁四柱”上的頂梁分布不夠平衡,建議今后“一梁四柱”改為“兩柱”單體液壓支柱,“兩柱”木點(diǎn)柱,且間隔均勻布置。

5 結(jié)論

超大采高綜采面切眼采取的“錨網(wǎng)索加挑棚和木垛聯(lián)合支護(hù)技術(shù)”,支護(hù)設(shè)計(jì)科學(xué)合理,施工質(zhì)量可靠,有效地控制了大跨度、大高度切眼頂板及兩幫的變形,從切眼初次掘進(jìn)到工作面綜采設(shè)備安裝結(jié)束,頂板及兩幫均未出現(xiàn)離層、片幫、掉渣現(xiàn)象。錨網(wǎng)索加挑棚和木垛聯(lián)合支護(hù)技術(shù)完全滿足了安全生產(chǎn)的需要,實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合,支護(hù)取得了成功。

[責(zé)任編輯:王興庫(kù)]

TD353.6

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1006-6225(2010)05-0059-03

2010-07-01

考宏凱 (1957-),男,安徽鳳臺(tái)人,工程師,現(xiàn)任安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一礦副礦長(zhǎng)。