李亞利

(山西省煤炭職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校, 太原 030012)

礦井頂板災(zāi)害是威脅礦井生產(chǎn)安全的五大自然災(zāi)害之一,往往會帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。竹林山煤礦進(jìn)入1400采區(qū)開采以來,隨著煤礦高產(chǎn)高效機(jī)械化采煤方法的應(yīng)用和開采深度的增加,在二次動壓巷道作為回采面運(yùn)輸順槽后,出現(xiàn)頂板下沉量大、兩幫移近量達(dá)到2 m、頂幫錨桿錨索破斷、鋼筋托梁折斷失效、煤幫破碎等問題,直接造成回采進(jìn)度慢、采掘失調(diào)、設(shè)備故障率高、檢修困難、錨桿錨索破斷、易傷人等后果,給煤礦安全管理工作帶來了很大困擾。本文在二次動壓巷道原支護(hù)的基礎(chǔ)上,客觀分析了小煤柱二次動壓巷道變形機(jī)理[1-5],從錨索補(bǔ)強(qiáng)時機(jī)、高強(qiáng)度支護(hù)材料、支護(hù)參數(shù)改進(jìn)、特殊地段注漿加固等方面進(jìn)行實(shí)踐論證,總結(jié)出一套成功的小煤柱二次動壓巷道支護(hù)方案,在很大程度上能夠控制巷道變形量,減少礦井頂板災(zāi)害事故的發(fā)生,提高了煤礦生產(chǎn)效率。該方案目前已在本礦推廣使用。

1 工作面概況

以1406運(yùn)輸順槽為二次動壓巷道試驗(yàn)地點(diǎn),北部為1407回采工作面(正在回采),南部為1406準(zhǔn)備工作面,西部為1400大巷,東部為伏巖煤業(yè)采空區(qū),兩工作面之間煤柱為24 m。1406運(yùn)輸順槽煤層埋藏深度為313～390 m,沿3#煤層底板掘進(jìn),煤層厚度為4.0～5.5 m,偽頂為炭質(zhì)泥巖,黑色,厚度0～0.9 m;直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖,厚度為7.92～8.46 m,平均8.12 m;底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,厚度為6.47～8.55 m,平均7.80 m。

1406運(yùn)輸順槽巷道全長1 300 m,矩形斷面,寬5.5 m,高4.0 m,原支護(hù)采用錨桿支護(hù)錨索補(bǔ)強(qiáng),頂部每排7根錨桿,間距850 mm,錨桿長度為2 400 mm,每2排打一排錨索,每排2根。巷幫每排5根錨桿,間距850 mm,錨桿長度為2 000 mm,錨桿托盤為130 mm×130 mm×8 mm,頂幫全采用Φ14 mm鋼筋焊接鋼帶?，F(xiàn)出現(xiàn)頂板掉包,底鼓幫鼓嚴(yán)重,部分地段錨桿、錨索斷裂,鋼帶焊口撕開,巷道斷面面積不足16 m2,無法滿足使用條件。1406運(yùn)輸順槽原錨桿支護(hù)示意圖見圖1。

圖1 錨桿支護(hù)示意圖Fig.1 Bolt support profile

2 巷道破壞變形原因分析

施工工藝不合理、支護(hù)材料強(qiáng)度不足、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)、地質(zhì)構(gòu)造帶未采取注漿加固措施是造成錨桿+錨索+鋼帶支護(hù)的二次動壓巷道變形破壞嚴(yán)重的關(guān)鍵因素。主要破壞原因包括：

1)構(gòu)造地區(qū)掘進(jìn)時巷道成形差,片幫嚴(yán)重,幫錨桿易松動失效錨桿,頂板變形快。

2)巷道成形質(zhì)量差。施工過程中綜掘機(jī)司機(jī)操作水平低,造成巷道成形差,使錨桿墊板不能緊貼頂板或煤壁,巷道內(nèi)錨桿錨索受力不均,局部巷道頂幫擠壓緊固作用不理想,使圍巖在自由狀態(tài)下變形、破壞。

3)支護(hù)材料強(qiáng)度不足。目前支護(hù)中存在螺紋鋼錨桿屈服強(qiáng)度不足、錨桿托盤強(qiáng)度不足、鋼筋托梁強(qiáng)度不足的現(xiàn)象。

4)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)。井下現(xiàn)場出現(xiàn)頂板下沉,作業(yè)隊(duì)伍盲目在頂幫過多增加錨索,未發(fā)揮錨網(wǎng)支護(hù)的整體支護(hù)作用,成本高且效果不明顯。

5)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)重頂不重幫。采空區(qū)側(cè)巷幫變形分為上中下三個位置。上部擠出使附近頂板發(fā)生剪切,中部擠出形成網(wǎng)包,下部擠出錯動底板。從留巷變形情況來看,采空區(qū)側(cè)頂板變形基本沿巷道軸向呈一條線,說明頂板破壞是由于兩幫移近造成的,同時兩幫移進(jìn)過程中對底板造成擠壓,出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓。

6)施工工序不合理。為了追求施工進(jìn)度不能保證一次成巷,兩幫底排錨桿不打,習(xí)慣性待幾天后才補(bǔ)齊,此時圍巖應(yīng)力已部分釋放,煤壁已遭破壞,錨桿起不到應(yīng)有作用。

3 控制二次動壓巷道變形的對策

3.1 錨索補(bǔ)強(qiáng)時機(jī)的確定

根據(jù)圍巖情況補(bǔ)強(qiáng)錨索可分為2種作用。一是圍巖未發(fā)生變形或微小變形時,補(bǔ)強(qiáng)錨索起到的是加固圍巖的作用。二是圍巖發(fā)生大變形,尤其是淺部圍巖裂隙擴(kuò)展和離層時,補(bǔ)強(qiáng)錨索起到的是懸吊圍巖的作用。為提高掘進(jìn)效率,補(bǔ)強(qiáng)錨索可滯后補(bǔ)打,盡可能在巷道發(fā)生大變形之前補(bǔ)打。盡早補(bǔ)打錨索,并對已施工的錨索重新張拉,提高張拉錨索預(yù)緊力水平,通過二次支護(hù)提高整體支護(hù)強(qiáng)度,控制巷道受動壓影響時的總體變形。

3.2 高強(qiáng)度支護(hù)材料的選擇

1)錨桿強(qiáng)度不足的解決方案。目前礦方普遍采用屈服強(qiáng)度為335 MPa的螺紋鋼錨桿,2018年11月1日開始實(shí)施的B/T 1499.2—2018《熱軋帶肋鋼筋》取消了335 MPa級鋼筋,建議采用屈服強(qiáng)度400 MPa及以上級別的螺紋鋼錨桿。

2)托盤外翻的解決方案。井下很多托盤受力后發(fā)生外翻,說明托盤承載力不足。GB/T 35056—2018《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中要求:錨桿托盤的承載力應(yīng)不小于與之配套錨桿屈服力標(biāo)準(zhǔn)值的1.3倍(基本是錨桿的破斷載荷),故將錨桿托盤的尺寸由原來的100 mm×100 mm×8 mm變更為150 mm×150 mm×10 mm,加大托盤支護(hù)強(qiáng)度和接觸面積[2]。

3)鋼筋托梁易斷裂的解決方案。掘進(jìn)二次動壓巷道時選用Φ18 mm的鋼筋托梁,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時采用W型寬鋼帶。

3.3 支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

1)預(yù)緊力。預(yù)緊力是錨桿支護(hù)最核心的參數(shù)。錨桿預(yù)緊扭矩200 N·m,若采用400號級別以上的錨桿時,預(yù)緊扭矩≥400 N·m[3]。頂板錨索預(yù)緊力300 kN,要考慮錨索預(yù)緊力損失,要求錨索張拉鎖定后不低于300 kN。

2)錨固長度?！叭龔狡ヅ洹眴栴},鉆孔直徑與錨桿桿體直徑之差應(yīng)為6～10 mm,鉆孔直徑與樹脂錨固劑直徑之間為4～8 mm。

3)錨索長度。動壓區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)錨索不宜過長,建議頂板補(bǔ)強(qiáng)錨索不宜超過8.3 m,巷幫補(bǔ)強(qiáng)錨索不宜超過5.3 m。

4)錨桿外露超長問題。井下普遍存在通過在錨桿托盤下部墊設(shè)木托盤的方式減小錨桿外露長度。結(jié)果表明,木托盤預(yù)緊力在剛施加后迅速降低,50 s左右即會有10%的預(yù)緊損失,5 min內(nèi)損失即達(dá)到15%,1 h后損失達(dá)23%,16 h左右損失達(dá)30%。建議井下禁止使用木托盤,可預(yù)制混凝土托盤。

5)W型鋼帶。為加大頂板的護(hù)表剛度,可采取W型鋼帶代替鋼筋托梁護(hù)頂護(hù)幫,加大托盤的護(hù)表面積。

6)煤幫錨固劑及錨桿長度。煤幫錨桿錨固劑用量由原來的1根Z2360更改為1根Z2360+1根K2335,錨桿長度由原2 000 mm增加至2 400 mm,以加強(qiáng)煤幫支護(hù)。

3.4 支護(hù)體破斷現(xiàn)象的防治

在強(qiáng)烈動壓巷道支護(hù)中,切記不要選擇長度過大的錨索和對穿錨索[4],否則非常容易發(fā)生大面積破斷,錨桿錨索破斷位置要及時補(bǔ)打。

3.5 其他措施

地質(zhì)構(gòu)造帶、頂幫破碎帶應(yīng)提前采用高分子材料注漿,保證圍巖支護(hù)的完整性。

4 二次動壓巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

4.1 錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

1406運(yùn)輸順槽掘進(jìn)斷面為5.5 m×4.0 m,凈斷面為22 m2,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如下。

頂部采用Φ21.8 mm×8 300 mm錨索進(jìn)行支護(hù),巷幫(只加強(qiáng)不可采側(cè)幫)采用Φ21.8 mm×5 300 mm錨索進(jìn)行支護(hù)。錨索材料為高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,延伸率4%,每根錨索均采用1支K2335和2支Z2360樹脂藥卷錨固,錨固長度1 500 mm。設(shè)計(jì)預(yù)緊力為300 kN。頂板每排3根錨索,間距為1 400 mm,排距為2 000 mm,錨索全部垂直頂板打設(shè)。巷幫每排2根錨索,間距1 400 mm,垂直巷幫打設(shè)。頂幫錨索配合使用W鋼帶,鋼帶采用5 mm鋼板沖壓而成,寬度250 mm,頂板使用鋼帶長度為3 200 mm,煤幫使用鋼帶長度為1 800 mm,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后頂板錨索為3-2-3結(jié)構(gòu),巷幫錨索為2-2-2結(jié)構(gòu)[3-5]。1406運(yùn)輸順槽錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖見圖2。

圖2 1406運(yùn)輸順槽錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖Fig.2 Reinforcement support with anchor bolt for 1406 transportation gateway

4.2 注漿加固

掘進(jìn)期間對構(gòu)造帶松軟煤層設(shè)計(jì)針對性鉆孔注漿加固,回采期間對二次動壓巷道與采空區(qū)之間的小煤柱進(jìn)行注漿加固支護(hù)[6]。注漿設(shè)備選用ZBQ-5/12氣動雙液注漿泵,壓風(fēng)供風(fēng)量不低于3 m3/min,供風(fēng)壓力不低于0.5 MPa。根據(jù)運(yùn)輸順槽巷道圍巖破碎煤巖體的特征,選擇高分子低溫加固材料(組合聚醚),型號inovfoamM0101/02。該材料由A、B兩種組分組成,當(dāng)A、B兩種組分以相同的體積充分混合后,能形成高強(qiáng)度的聚合體,粘結(jié)力較強(qiáng)。單孔一次注入最大劑量不得超過1 000 kg,設(shè)計(jì)注漿終壓為6 MPa。

注漿孔用氣動錨桿鉆機(jī)打眼,孔徑為Φ28 mm,煤壁注漿孔深4 m,注漿孔排距為2 m,每排兩個孔,上部注漿孔開孔位置,仰角10°；下部注漿孔開孔位置距底板800 mm,俯角10°。注漿管采用4″鋁塑管。實(shí)際施工中根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況、注漿量及跑漏漿情況,對注漿孔覆蓋范圍、密度、深度和角度隨時進(jìn)行調(diào)整。注漿時,注漿眼及頂幫端面出現(xiàn)漿液時立即停止注漿;端面頂幫出現(xiàn)掉渣及片幫等異常情況時立即停止注漿,進(jìn)行觀測無異常后再注漿;一般每孔連續(xù)注漿時間以10～20 min為宜。

需要強(qiáng)調(diào)的是，嚴(yán)禁向煤層高冒區(qū)、空洞區(qū)、明火防治重點(diǎn)區(qū)等較大空間內(nèi)直接注漿，嚴(yán)禁使用發(fā)泡高分子材料處理自然發(fā)火隱患區(qū)。當(dāng)無其他技術(shù)方法進(jìn)行處理時,應(yīng)當(dāng)先預(yù)處理,實(shí)施可控注漿,防止因注漿材料大量聚積而產(chǎn)生的放熱反應(yīng)。

5 強(qiáng)化巷道礦壓監(jiān)測

為了跟蹤1406運(yùn)輸順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果,每隔200 m設(shè)置一組頂幫移近量觀測站,同時在原巷道頂板離層儀觀測的基礎(chǔ)上每隔200 m安裝一組動態(tài)離層監(jiān)測儀,用于監(jiān)測二次動壓巷道的頂幫移近量和頂板離層情況。根據(jù)離層儀監(jiān)測結(jié)果,絕大部分離層儀顯示無變化,只有極個別地點(diǎn)離層儀顯示淺部離層值為5～10 mm。表面位移監(jiān)測結(jié)果顯示,巷道兩幫位移量和頂板下沉量明顯減小,兩幫最大移近量為105 mm,頂板最大下沉量為15 mm?？梢?頂幫錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)與破碎帶注漿方法有效地控制了頂板離層和巷道變形。

6 結(jié)論

1)二次動壓巷道在掘進(jìn)時支護(hù)強(qiáng)度必須提高,支護(hù)構(gòu)件的強(qiáng)度必須相互匹配。

2)高預(yù)應(yīng)力錨索與W型鋼帶配合使用,將錨索連接成整體,支護(hù)強(qiáng)度高,支護(hù)整體性好。

3)地質(zhì)構(gòu)造帶、頂幫破碎帶及時采用高分子材料注漿技術(shù)有效地保證了頂幫支護(hù)的有效性。

4)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的時機(jī)必須把握好,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的同時對已施工的錨索重新張拉,提高張拉錨索預(yù)緊力水平,通過二次支護(hù)提高整體支護(hù)強(qiáng)度,控制巷道受動壓影響時的總體變形。