深部開(kāi)采沖擊礦壓礦井大斷面巷道支護(hù)的探索

劉 軍,杜青炎,韓榮軍

(1.義馬煤業(yè)有限責(zé)任公司礦壓研究所,河南義馬 472300;2.義馬煤業(yè)有限責(zé)任公司,河南義馬 472300;3.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)巖石力學(xué)支護(hù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì),北京 100013)

深部開(kāi)采沖擊礦壓礦井大斷面巷道支護(hù)的探索

劉 軍1,3,杜青炎2,韓榮軍1

(1.義馬煤業(yè)有限責(zé)任公司礦壓研究所,河南義馬 472300;2.義馬煤業(yè)有限責(zé)任公司,河南義馬 472300;3.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)巖石力學(xué)支護(hù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì),北京 100013)

對(duì)躍進(jìn)煤礦錨網(wǎng)索支護(hù)與錨網(wǎng)索 +“O”型棚復(fù)合支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比及礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,找到了適合深部開(kāi)采沖擊礦壓礦井的巷道支護(hù)形式,提高了巷道抗沖擊強(qiáng)度,緩解了底板型沖擊礦壓對(duì)巷道的破壞,在躍進(jìn)煤礦 23130工作面下巷應(yīng)用后取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

深部開(kāi)采;沖擊礦壓;復(fù)合型支護(hù)

Research on Supporting Roadway with Large Section in M in ing Deep Coal Seam with Bursting L iability

深部開(kāi)采,原始應(yīng)力水平相對(duì)于圍巖強(qiáng)度高,采動(dòng)附加應(yīng)力更趨強(qiáng)烈[1],圍巖破碎區(qū)范圍進(jìn)一步加大,不易形成結(jié)構(gòu)效應(yīng)[2];時(shí)間效應(yīng)強(qiáng)烈,變形速度快,不易長(zhǎng)期維護(hù)。采用傳統(tǒng)的架棚支護(hù)、錨桿支護(hù)都不能有效維護(hù)巷道。特別是采掘工作面開(kāi)拓或回采過(guò)程中沖擊礦壓的發(fā)生,會(huì)對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞,造成人員重大傷亡。解決有沖擊礦壓的巷道支護(hù)問(wèn)題已經(jīng)成為巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重大課題。躍進(jìn)煤礦在 23130下巷支護(hù)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與嘗試。

1 礦井概況

躍進(jìn)煤礦主要含煤地層為義馬組,煤系地層平均厚 76.1m,主要由碎屑巖、泥巖和煤組成,含 2個(gè)煤組,為一煤組和二煤組。區(qū)內(nèi)煤層總厚度平均為 13.9m,含煤系數(shù)為 18.3%,其中一煤組有 1-1煤和 1-2煤,局部有可采點(diǎn);二煤組 2-1煤和2-3煤是礦井的主要煤層。2-1煤和 2-3煤在淺部分叉,深部合并,合并后統(tǒng)稱(chēng) 2-1煤。該工作面煤層屬低瓦斯煤層,煤層有自燃性,發(fā)火期一般為 1～3個(gè)月。煤塵爆炸指數(shù)為 41%。預(yù)計(jì)涌水量小于 10m3/h。2-1煤層直接頂為泥巖,厚 20m左右,底板為中 -細(xì)粒砂巖,厚 0～25m,系 2-3煤層的頂板。礦井范圍內(nèi) 2-1煤層厚度變化較大,為 0.85～8.55m,平均 3.78m,該層不穩(wěn)定,距頂板 0.4～4m。2-3煤層位于 2-1煤層下部,距 2-1煤層間距 0～26.54m,平均 6.7m,在 170m水平賦存穩(wěn)定,煤層厚度 4.25～9.30m,平均6.60m。頂、底板巖性特征見(jiàn)表 1。

表1 頂、底板巖性特征

躍進(jìn)煤礦近兩年發(fā)生沖擊礦壓 22次,最嚴(yán)重的是 2007年 “6.19”沖擊礦壓事故,發(fā)生在25080工作面下巷 -460m水平,采深達(dá) 970m,造成近 300m巷道頂?shù)组]合或半閉合,4人受傷,工作面停產(chǎn) 12d,直接經(jīng)濟(jì)損失 1000多萬(wàn)。

2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 下巷沖擊礦壓等級(jí)預(yù)測(cè)

本采區(qū)煤層上覆頂板巖層厚而堅(jiān)硬,煤體相對(duì)脆硬,f=1～2,沖擊傾向性強(qiáng),根據(jù)該巷道幾起沖擊災(zāi)害烈度估算,本巷道發(fā)生的沖擊礦壓震級(jí)ML=2.5,以這個(gè)震級(jí)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮到本巷道埋深大,煤層傾角大,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)大,厚煤層煤體相對(duì)松軟,圍巖變形劇烈,巷道自身圍巖的穩(wěn)定性很難控制[3],加之厚層堅(jiān)硬頂板聚能孕沖,防沖難度相應(yīng)加大。

2.2 支護(hù)構(gòu)件動(dòng)載適應(yīng)性計(jì)算

根據(jù)相關(guān)研究資料,發(fā)生震級(jí)ML=2.5的沖擊礦壓后,巖塊拋射速度 vk=2.37m/s。

有巖爆 (沖擊礦壓)傾向硬巖礦床坑道開(kāi)挖周邊巖體屈服厚度約為 0.5～1.0m,保守取值厚煤層巷道開(kāi)挖后巷道周邊屈服巖體范圍等于巖體產(chǎn)生裂隙的范圍,取巖體破裂厚度為 1.0m,巷道煤層密度取 1.3×103kg/m3。根據(jù)上述條件,由公式 Ed=0.5計(jì)算出發(fā)生沖擊礦壓后巷道圍巖表面巖體釋放的動(dòng)能 Ed為 3.4385kJ/m2,其中 m為參與沖擊破壞的巷道圍巖巖體的質(zhì)量。

若以巷道頂板巖體為準(zhǔn),還必須考慮頂板巖體沖擊過(guò)程中由于錨桿受拉延伸位移下滑而釋放的勢(shì)能,以螺紋鋼錨桿的最大實(shí)際延伸率 8%計(jì)算,長(zhǎng)度 2.5m的錨桿極限位移為 200mm,由公式 Es=m gΔh計(jì)算出頂板巖塊因沖擊下滑釋放的勢(shì)能[4],Es為 0.245kJ/m2,其中 g為重力加速度。

根據(jù)上述能量平衡分析可知,沖擊發(fā)生后釋放能量總和 E=Ed+Es=3.6835kJ/m2。

設(shè)計(jì)采用的支護(hù)構(gòu)件的吸能大小計(jì)算如下：

由相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果 φ22 mm×2500 mm的螺紋鋼錨桿錨帶網(wǎng)吸收的能量取 1.85kJ,錨索吸收的能量取 3kJ,頂板錨索和錨帶網(wǎng)共同作用吸收的能量大小為：

幫部錨帶網(wǎng)吸收的能量大小為：

可見(jiàn),在發(fā)生震級(jí)ML=2.5的沖擊礦壓時(shí),頂板巖體沖擊能量完全可以被錨帶網(wǎng)索共同作用所吸收,幫部煤體沖擊動(dòng)能也完全被幫部錨帶網(wǎng)索所吸收,但考慮躍進(jìn)煤礦沖擊礦壓為底板沖擊型,對(duì)巷道底板進(jìn)行剛性支護(hù),剛性支護(hù)首選可縮式 U36“O”型棚,因此,所選支護(hù)方案為錨網(wǎng)索 +“O”型棚復(fù)合支護(hù),完全可以滿(mǎn)足巷道圍巖穩(wěn)定性控制及防沖抗震要求[5]。

2.3 支護(hù)設(shè)計(jì)

2.3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

23130下巷全部沿煤頂板掘進(jìn),均為 “梯形”斷面。巷道凈寬 4.8m,下幫高 2.4m,上幫高3.4m,支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

頂錨桿選用 φ22mm×2200mm的等強(qiáng)左旋無(wú)縱筋滾絲鐵錨桿,間距 750mm,排距 750mm;

幫錨桿選用 φ18mm×1800mm等強(qiáng)螺紋錨桿。下幫錨桿排距 700mm,上幫錨桿排距 750mm,上、下幫錨桿間距均為 750mm。

錨索選用 φ17.8mm×8000mm,1860級(jí)低松弛鋼絞線(xiàn);錨索 3排,排距 1200mm,距上、下幫各1250mm,錨索間距 1500mm。

頂錨桿錨固力不小于 70kN,扭力矩不小于100N·m;幫錨桿錨固力不小于 30kN,扭力矩不小于 60N·m;錨索預(yù)緊力不小于 120kN,錨索張拉壓力表數(shù)值當(dāng)班打不小于 31.5MPa,錨固力不小于 207kN;經(jīng) 24h后,錨索張拉壓力表數(shù)值檢測(cè)不小于 35MPa,錨固力不小于 230kN。

36U“O”型棚巷道斷面如圖 1。

圖1 23130上下巷架 36U“O”型棚支護(hù)

2.3.2 巷道原支護(hù)

巷道原支護(hù)均為“梯形”斷面,斷面積14.5m2,支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

頂錨桿選用 φ22mm×2000mm的等強(qiáng)左旋無(wú)縱筋滾絲鐵錨桿,間距 800mm,排距 800mm;

幫錨桿選用 φ18mm×1800mm等強(qiáng)螺紋錨桿,下幫錨桿排距 750mm,上幫錨桿排距 800mm,上、下幫錨桿間距均為 800mm。

錨索選用 φ17.8mm×8000mm,1860級(jí)低松弛鋼絞線(xiàn);錨索 3排,排距 1200mm,距上、下幫各1250mm,錨索間距 1500mm。

3 礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)上述支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),試驗(yàn)地點(diǎn)在躍進(jìn)煤礦 23130下巷,巷道長(zhǎng)度 1100m,其中布置 70m的錨網(wǎng)索段支護(hù),1030m的錨網(wǎng)索與“O”形棚復(fù)合支護(hù),在巷道布置 5個(gè)測(cè)點(diǎn),安頂板離層儀,對(duì)頂?shù)装逡平窟M(jìn)行連續(xù)觀(guān)測(cè) 300d。在觀(guān)測(cè)和巷道施工過(guò)程中發(fā)生了 7次沖擊礦壓,其中在錨網(wǎng)索支護(hù)段發(fā)生 2次,在錨網(wǎng)索與 “O”型棚復(fù)合支護(hù)段發(fā)生 5次。

根據(jù)連續(xù)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),見(jiàn)圖 2：錨網(wǎng)索支護(hù)段巷道累計(jì)移近量 166.1mm,變形速度為 0.55mm/d,錨網(wǎng)索與 “O”型棚復(fù)合支護(hù)段巷道累計(jì)移近量59.3mm,變形速度為 0.19mm/d。

圖2 新舊支護(hù)方式頂?shù)装逡平繉?duì)比

3.1 沖擊礦壓發(fā)生后 2種支護(hù)底鼓量對(duì)比

23130下巷 1100m巷道觀(guān)測(cè)施工過(guò)程中,共發(fā)生 7次沖擊礦壓,對(duì)發(fā)生的 7次沖擊礦壓進(jìn)行了底鼓量對(duì)比。

錨網(wǎng)索支護(hù)段最大底鼓量 2.7m,破壞巷道長(zhǎng)度 70m,錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)段最大底鼓量 0.6m,比采用錨網(wǎng)索支護(hù)底鼓量明顯減小。由于沖擊礦壓具有發(fā)生突然,來(lái)壓劇烈,破壞性強(qiáng),對(duì)支護(hù)提出了更高的要求。觀(guān)測(cè)結(jié)果表明,錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)可以控制圍巖變形,特別是底板型沖擊礦壓,即使巷道受較強(qiáng)烈的沖擊仍能保持一定的空間[6]。

3.2 礦壓觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

從礦壓觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)上看出 (如圖 2),錨網(wǎng)索支護(hù)頂?shù)装逡平看?初期移近量明顯增加 1倍,中期移近量起伏比較大,后期相對(duì)比較平穩(wěn);而錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)初期移近量小,穩(wěn)定性好,可有效地抑制煤塊的拋射和破碎煤體的冒落,避免巷道局部破壞而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)體系失衡。觀(guān)測(cè)結(jié)果表明,錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù),控制圍巖變形能力強(qiáng),抗沖擊礦壓強(qiáng)度高。

4 結(jié)論

(1)錨網(wǎng)索與 “O”型棚復(fù)合支護(hù),支護(hù)強(qiáng)度高,整體穩(wěn)定性好,變形量小,抗沖擊礦壓能力強(qiáng),能有效防止沖擊礦壓對(duì)巷道的破壞,保證工作面人員和設(shè)備的安全。

(2)根據(jù)巷道礦壓觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,巷道施工60d內(nèi)是變形速度最大的時(shí)期,后期巷道變形量明顯下降。可以減少前掘后修,以及回采期巷道落底的工程量和勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)錨網(wǎng)索與“O”型棚復(fù)合支護(hù)施工復(fù)雜,掘進(jìn)速度慢。

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TD353

B

1006-6225(2010)01-0065-03

2009-09-25

劉 軍 (1962-),男,遼寧撫順人,高級(jí)工程師,現(xiàn)任義煤集團(tuán)礦壓研究所所長(zhǎng),兼躍進(jìn)礦總工程師。

鄒正立]

技術(shù)經(jīng)濟(jì)管理