文/王志 田子文
目前,一些中小型煤礦在煤炭生產(chǎn)中,煤層采煤預(yù)留煤柱的煤炭?jī)?chǔ)量多,資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重。為了提高煤炭資源的回采率,李家塔煤礦經(jīng)過(guò)實(shí)際論證,在巷道首次采用沿空掘巷技術(shù)工藝,在工作面采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)基本穩(wěn)定后,留小煤柱在廢棄巷道邊緣的煤體中重新掘巷,作為原工作面的進(jìn)風(fēng)巷。
通過(guò)研究巖層性質(zhì)、構(gòu)造和礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn),推測(cè)出要使沿空掘巷能承受集中壓力的動(dòng)壓作用而不發(fā)生片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象,要求支護(hù)結(jié)構(gòu)必須具有較大的柔性和可伸縮性,只有使用錨桿、錨索支護(hù)形式,才能確保煤礦實(shí)現(xiàn)安全高效發(fā)展。
12-1131巷掘進(jìn)工作面沿12#煤層頂板掘進(jìn),12#煤層穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,含1~2層0.06~0.1m厚的夾矸,煤層厚度2.3~2.8m,平均厚度2.5m;直接頂為泥巖(局部變?yōu)榉凵皫r),厚3m左右,中間夾一層0.2~0.5m厚的煤線(大致在12#煤層上部1.2~2m之間);基本頂為粉砂巖,厚約4m左右,含黃鐵礦和植物化石碎屑,夾薄泥巖,11#煤層在12#煤層上部7m左右,10#煤層在11#煤層上部2m左右,其頂板為k2灰?guī)r,平均厚度8.9m;12#煤層直接底為石英砂巖、硅質(zhì)膠結(jié)、質(zhì)脆,厚度約5m左右。
沿空掘巷要求把巷道布置于低應(yīng)力場(chǎng),便于巷道維護(hù),減少變形量,其關(guān)鍵是嚴(yán)格控制煤柱寬度,留小煤柱的目的是將巷道和采空區(qū)隔離,防止采空區(qū)的水和有害氣體串入巷道,危及安全生產(chǎn)。煤柱的寬度對(duì)巷道的維護(hù)狀況起決定作用。
如果煤柱太小,由于靠采空區(qū)側(cè)的煤柱受支承力的影響已呈塑形,容易失穩(wěn),片幫嚴(yán)重;如果煤柱過(guò)大,將使巷道壓力大、支護(hù)困難。根據(jù)李家塔煤礦大量觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì),采面回采后沿傾斜支承壓力分布情況可分為ABC三個(gè)區(qū),其中A區(qū)為采空區(qū)邊緣稱為減壓區(qū),變化范圍為3~15m,B為應(yīng)力增高區(qū),范圍在15~40m,C為原巖應(yīng)力區(qū)。因此,確定煤柱留設(shè)10m,使掘進(jìn)巷道位于采空區(qū)減壓區(qū)內(nèi),便于維護(hù)。
1.巷道斷面
12-1131巷道設(shè)計(jì)寬度3.4m,高度2.5m,凈斷面積 8.5m2,掘進(jìn)斷面 9.36m2。
2.巷道支護(hù)形式
(1)頂部采用了高強(qiáng)錨桿配合雙排組錨索支護(hù)。選用Φ20×2000mm的左螺旋紋鋼錨桿,選用CK2340型樹(shù)脂錨固劑和Z2388型樹(shù)脂錨固劑各一條,使用Φ130×8mm的沖壓碟形墊片,并配合金屬網(wǎng)、錨梁進(jìn)行支護(hù),錨桿“五五”布置,間排距850×800mm。選用Φ15.24×6500mm錨索,配套使用CK2340型樹(shù)脂錨固劑和Z2388型樹(shù)脂錨固劑各兩條以及2.4m長(zhǎng)14#槽鋼、MX型鎖具加強(qiáng)支護(hù)。每排施工兩根錨索,配合槽鋼托梁形成組錨索,間距1400mm,排距3000mm。
(2)兩幫采用普通錨桿支護(hù)。選用Φ14.6×1600mm的金屬錨桿,2630型水泥錨固劑兩條,使用Φ100×6mm的沖壓碟形墊片,并配合金屬網(wǎng)、錨梁進(jìn)行支護(hù)。錨桿“三三”布置,排距800mm,間距1000mm,肩窩幫錨桿距頂100mm。
3.支護(hù)機(jī)理分析
(1)采用錨索、鋼帶形成高強(qiáng)度、大收縮性的支護(hù)承載圈,即組合加固拱。據(jù)有關(guān)的測(cè)定組合拱內(nèi)的巖體強(qiáng)度接近于破壞前的強(qiáng)度,同時(shí)具有較大的可縮性,這是沿空掘巷支護(hù)所必須具備的,只要支護(hù)參數(shù)選擇合理是可以取得較好效果的。錨桿在巖層中的實(shí)質(zhì)就是錨桿對(duì)松動(dòng)圈進(jìn)行約束擠壓加固,重新形成具有一定強(qiáng)度、一定厚度的組合加固拱。
(2)由于采用沿空掘巷,普通錨桿難以保證巷道支護(hù)的可靠性。因此必須在普通的錨網(wǎng)梁支護(hù)的基礎(chǔ)上使用錨索支護(hù),從而通過(guò)錨索的懸吊作用,與錨網(wǎng)梁形成的組合梁形成一個(gè)厚度加大、抗彎強(qiáng)度和剛度提高的組合梁結(jié)構(gòu)。
(3)采用錨桿支護(hù),可以減少圍巖淺部的擴(kuò)容變形能力。在高應(yīng)力作用下,擴(kuò)容變形是不可能完全阻止,通過(guò)錨索支護(hù)可以有效地加固錨固范圍的圍巖體,可大大減少其擴(kuò)容變形量。
(4)采用鋼帶、金屬網(wǎng)提高了圍巖面的抗拉變形能力,控制圍巖變形量,同時(shí)通過(guò)鋼帶,形成一個(gè)有機(jī)的支護(hù)體,而不是錨桿錨索的獨(dú)立作用,從而提高了整體支護(hù)能力。
(5)錨索外部采用槽鋼墊板,提高了抗變形能力,在高應(yīng)力的作用下,通過(guò)槽鋼的塑性變形進(jìn)行部分卸壓,大大減少了錨索的破損力。
(6)塑性變形卸壓是一種少量可以允許的變形量,這種變形量不是有害的,它不影響巷道的安全使用。
1.礦壓觀測(cè)內(nèi)容
(1)圍巖表面位移觀測(cè)。圍巖表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用直線布點(diǎn)法。所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立臺(tái)賬,如下表。
測(cè)點(diǎn)距工作面距離(m)移近量(mm)頂?shù)装? 2 3 4 5 20 40 60 80 100 100 80 60 50 60 50 48 46 40 38兩幫
(2)巷道每隔50m安裝一組頂板離層監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)頂板離層情況,無(wú)論頂板還是兩幫位移都很穩(wěn)定,頂板沒(méi)有離層現(xiàn)象。
(3)錨桿錨固力量測(cè)定。每隔30m設(shè)一個(gè)觀測(cè)斷面,對(duì)錨桿錨固力進(jìn)行測(cè)量。使用錨桿拉力計(jì)進(jìn)行錨桿錨固力的測(cè)試,使用公斤扳手進(jìn)行錨桿初錨力測(cè)試。測(cè)量結(jié)果,初錨力、錨固力均符合設(shè)計(jì)要求。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),12-1131巷沿空掘巷采用錨索加強(qiáng)支護(hù)比單獨(dú)使用錨桿支護(hù)有明顯改善,主要表現(xiàn)在:解決了前邊掘進(jìn),后邊維修的問(wèn)題;巷道頂板和兩幫整體性比較好,雖然頂板有一定的下沉量,但仍然保持完整、穩(wěn)定,支護(hù)狀態(tài)好;使用錨索加強(qiáng)支護(hù)后,頂板的安全程度有了明顯的改觀。
1.沿空掘巷,采用錨網(wǎng)索支護(hù),巷道支護(hù)質(zhì)量得到很大改觀。
2.巷道經(jīng)受動(dòng)壓影響,變形量小,無(wú)冒頂片幫現(xiàn)象。
3.采用錨網(wǎng)支護(hù),具有承載快,錨固力大,位移小和可靠性強(qiáng)。
4.錨桿掛網(wǎng)配合鋼筋托梁作用,使錨桿受力狀態(tài)得以平衡,發(fā)揮了錨桿群共同承載作用,能與圍巖一起作用來(lái)提高圍巖承載能力,主動(dòng)進(jìn)行支護(hù),有效抑制了圍巖的變形。
5.采用錨網(wǎng)支護(hù),錨固范圍內(nèi)巖體的整體性得到加強(qiáng),防止了頂板滑移,使頂板的松動(dòng)離層受到了抑制。
6.采用錨網(wǎng)索支護(hù),工序簡(jiǎn)單,施工容易,巷道斷面小,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,減少了巷道維護(hù)量。
李家塔礦在12-1131巷首次采用沿空留巷技術(shù),并將錨網(wǎng)索支護(hù)應(yīng)用于其中,巷道能經(jīng)受動(dòng)壓影響,變形量小,無(wú)冒頂片幫現(xiàn)象發(fā)生,是切實(shí)可行的有效方法,具有廣闊的應(yīng)用前景。