張 銀
(洪洞陸成煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041600)
煤礦巷道支護理論和實踐研究表明,錨網索支護可給予巷道圍巖以主動支護作用,可有效提高巷道圍巖的整體性和強度,進而確保巷道收斂變形符合相關要求[1-3]。山西某礦11#煤層回采巷道多采用普通錨網索支護,但是,孤島工作面回采過程中因受工作面超前支承壓力作用、采空區(qū)側向壓力影響等,巷道變形收斂嚴重,變形量可達設計斷面的20%以上,嚴重影響工作面安全回采。鑒于普通錨網索在孤島工作面巷道支護難以滿足要求,決定采用高預應力錨網索進行巷道支護,以期提高孤島工作面巷道支護效果。
8512工作面西部為8512-1工作面采空區(qū),東部為8510工作面采空區(qū),北部20 m為井田邊界,邊界向北為礦井開采遺留采空區(qū)。工作面所采煤層為11#煤層,煤層均厚2.6 m,煤層傾角平均為6.5°,屬于穩(wěn)定可采厚煤層工作面。8512工作面整體位于南北向斜構造中,在掘進中揭露落差超過1.5 m的斷層11個,受構造影響局部為薄煤帶。工作面設計走向和傾向長度分別為1 450 m和230 m,直接頂為均厚11 m的泥巖-砂質泥巖-細砂巖,基本頂為均厚14.5 m的中粗粒砂巖,直接底為均厚2.1 m的泥巖。工作面水文地質結構較簡單,在采掘過程中可能出現(xiàn)小范圍淋水現(xiàn)象。工作面采用放頂煤開采,兩巷設計尺寸3 000 mm×5 000 mm(高×寬),因巷道頂板泥巖-砂質泥巖巖性較弱,且頂煤硬度較低,同時考慮到孤島工作面?zhèn)葔旱纫蛩氐挠绊慬4-7],決定兩巷采用高預應力錨網索支護。
以往,礦井回采11#煤層孤島工作面,兩巷多采用普通錨網索支護,過斷層等構造帶時輔以架設U型鋼棚支護。原支護方案中頂錨桿采用φ20 mm×2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,頂錨索采用φ21.6 mm×5 800 mm的鋼絞繩,幫錨桿采用φ18 mm×2 000 mm的樹脂錨桿,幫錨索采用φ15.24 mm×4 500 mm的鋼絞繩,頂錨桿和幫錨桿間排距均為900 mm×900 mm,頂錨索和幫錨索間排距均為1 800 mm×1 800 mm,其中幫錨索僅布置在采空區(qū)側煤柱。頂板和兩幫鋪設的金屬網規(guī)格為2 400 mm×1 100 mm的菱形網。
根據(jù)回采經驗,11#煤層孤島工作面采用普通錨網索支護難以保證巷道回采所需斷面,兩幫收斂變形嚴重,尤其是斷層等構造帶附近,巷道掉頂現(xiàn)象頻見,局部支護體系失效,嚴重影響工作面安全回采[8-11]。
巷道收斂變形:巷道收斂變形以兩幫收斂和底臌為主要形式,局部地帶出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象;在回采期間,兩巷收斂量累計可達1 056 mm,底臌量累計可達670 mm,兩幫和底臌量為巷道設計尺寸的21%和22%,且巷道收斂變形量75%以上發(fā)生在采場前方100 m范圍內。整體來說,構造帶附近網兜現(xiàn)象嚴重,根據(jù)頂板窺視可知,構造帶附近頂板離層較明顯,離層多發(fā)生在煤層與頂板交界處和泥巖層范圍內。
支護體系失效:巷道個別錨桿出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象,錨桿和錨索托盤陷入煤體,網兜現(xiàn)象明顯。為了解決支護體系失效,在巷道中心處打設木點柱,對于錨桿斷裂缺失處給予重新打錨桿和錨索進行補強支護,但難以有效控制巷道變形。
頂板冒漏傾向性大:由于巷道為全煤巷,頂煤較厚,且支護體系難以滿足巷道支護需求,同時受到上部含水層和斷層等構造帶的影響,巷道容易出現(xiàn)頂板離層、頂煤垮落和頂板冒漏現(xiàn)象,輕則影響工作面正?;夭?,重則會造成安全事故。
預應力支護是指將錨索一端錨固在基巖內,然后在自由端進行張拉,對圍巖施加壓力對不穩(wěn)定巖層進行錨固,高預應力支護要求所施加的錨索預緊力不低于300 kN,屬于主動支護。在高預應力作用下,圍巖產生壓縮并形成“承載拱”,可大幅度提高圍巖的整體性和自承載能力,可有效降低巷道圍巖早期變形和頂板離層[12-16]。且預應力錨索支護能夠促使支護體與圍巖形成復合體,提高被支護巖體的抗剪和抗拉能力,能有效降低采空區(qū)側向壓力對巷道圍巖的不利影響,進而提高巷道的穩(wěn)定性。
通過分析11#煤層原支護條件下巷道變形特點,認為合理選擇支護方式是提高巷道穩(wěn)定性最直接、最有效途徑。同時考慮到8512工作面煤巖體特性、構造影響、煤層厚度、巷道斷面需求等,決定在8512工作面兩巷采用高預應力錨網索支護,現(xiàn)以工作面回風巷為例進行研究,8512工作面回風巷高預應力錨網索支護如圖1所示。
頂板支護:頂錨桿選用φ20 mm×2 000 mm的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,鋼托盤的規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm(長×寬×厚),錨桿間排距為940 mm×900 mm,每根錨桿采用1支MSK2380型錨固劑進行錨固,要求錨固力不低于95 kN;頂錨索選用φ21.6 mm×6 500 mm的鋼絞線,鋼托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×15 mm(長×寬×厚),錨索排距900 mm,每兩排布置4根,分別按照2、4眼位和3、5眼位布置,眼位間距940 mm,每根錨索采用2支MSK23100的樹脂藥卷進行錨固,預緊力不低于300 kN;頂網采用2 100 mm×1 000 mm鋼筋網,每排2片,橫向鋪設。
a-正視圖;b-俯視圖圖1 8512工作面回風巷高預應力錨網索支護示意圖
兩幫支護:幫錨桿選用φ20 mm×2 000 mm的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,托盤規(guī)格與頂錨桿相同,錨桿間排距為800 mm×900 mm,其中頂角錨桿距頂板350 mm,與水平呈25° 角,錨固力不低于75 kN;幫錨索僅布置在采空區(qū)側,錨索選用φ21.6 mm×6 500 mm的鋼絞線,托盤與頂錨索托盤規(guī)格相同,錨索間排距為900 mm×1 600 mm,錨固方式與頂錨索相同,預緊力不低于300 kN。幫網選用規(guī)格2 400 mm×1 000 mm的菱形網,每排每幫一片,豎向鋪設。
圖2 巷道圍巖表面位移變化曲線
鑒于11#煤層孤島工作面兩巷收斂變形量75%以上出現(xiàn)在工作面回采超前段,故在8512工作面回風巷距離采場100 m范圍內布置“十字交叉”測點來進行巷道圍巖變形觀測,結果如圖2所示。由觀測結果可知,隨回采推進,頂?shù)装謇塾嬍湛s變形為228 mm,為設計高度的7.6%,且頂?shù)装迨諗孔冃沃饕l(fā)生在采場前方25 m范圍,約占總收斂變形量的83%;兩幫累計收斂變形量為546 mm,為設計尺寸的10.9%,且兩幫收斂變形主要發(fā)生在采場前方30 m范圍內,約占總收斂變形量的79%。為了了解頂板里層情況,在采場前方50 m范圍內向頂板打鉆孔進行窺視,結果顯示,頂板離層多發(fā)生在頂煤與頂板交界處,離層量最大11 mm,平均為4.2 mm,離層不明顯。由此可知,通過高預應力錨網索支護可以有效提高4#煤層8512巷道支護效果,巷道變形量和頂板離層量較小,能夠滿足工作面回采需求。
高預應力錨網索支護能夠給予圍巖強有力的主動支護,可有效提高巷道圍巖的整體強度和自穩(wěn)性,可有效抑制巷道圍巖變形和頂板離層。8512工作面支護實踐表明,通過高預應力錨網索支護,巷道收斂變形量不到巷道設計尺寸的10%,能夠保證工作面回采需求,支護效果較好,說明11#煤層孤島工作面回采巷道采用高預應力錨網索支護是可行的,能夠達到預期支護目的。