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      柳林礦區(qū)近距離煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

      2014-08-09 04:27:57李根威賀全智
      中國煤炭工業(yè) 2014年12期
      關(guān)鍵詞:棚架煤柱泥巖

      文/李根威賀全智

      柳林礦區(qū)近距離煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

      文/李根威賀全智

      近距離煤層群下行開采時上組煤的底板變?yōu)橄陆M煤的頂板,受上組煤采動影響,下組煤圍巖節(jié)理裂隙擴(kuò)張,整體承載能力下降。下組煤巷道普遍存在支護(hù)困難,后期維護(hù)工作量大,成本高,安全效益差的問題。國內(nèi)針對下層煤開采時巷道變形規(guī)律,從合理布置巷道和支護(hù)方面綜合優(yōu)化設(shè)計,取得良好的支護(hù)效果。柳林礦區(qū)上組煤在資源整合之前多數(shù)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)小礦,刀柱式開采、以掘代采等非正常順序開采上層煤,導(dǎo)致采空區(qū)和煤柱布置不規(guī)范。下組煤巷道布置很難避開采空和煤柱應(yīng)力的影響,回采巷道在4#煤采空區(qū)和煤柱下方穿梭,先期采用錨網(wǎng)索支護(hù),回采過程中斷面收縮嚴(yán)重,擴(kuò)巷工程量巨大,影響正?;夭晒ぷ鳌:笃诓粩嗫偨Y(jié)經(jīng)驗,各礦互相借鑒,總結(jié)出一套可靠的支護(hù)方法。

      一、地質(zhì)概況

      柳林礦區(qū)位于屬鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河?xùn)|煤田中段,礦區(qū)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組,二疊系下統(tǒng)山西組是一套由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤層組成的陸相含煤建造,4、5號煤層為穩(wěn)定可采煤層,4#煤厚4.16~4.85m,5#煤厚2.97~4.19m,層間距2.85~3.93m,頂板以泥巖為主,局部賦存砂巖,煤層柱狀示意圖如下所示。

      煤層柱狀圖

      二、巷道支護(hù)技術(shù)

      1.初期支護(hù)方案和實際支護(hù)效果

      (1)5#煤回采巷道支護(hù)方案。柳林礦區(qū)26座礦井在初步設(shè)計時巷道支護(hù)基本采用直徑為20mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,長度為2.2~2.5m,間距800mm;兩幫錨桿直徑18~22mm,長度為1.8~2m,間距為800~900mm,錨桿排距為800~900mm。每隔三排錨桿即2.7m安裝兩套直徑17.8mm,間距為2000mm,長度不超過層間距的小孔徑預(yù)應(yīng)力(160KN)錨索加強支護(hù),頂板及兩幫配套相應(yīng)尺寸的鋼筋梯子梁和鋼筋網(wǎng)片,防止局部冒落,提高巷道整體支護(hù)剛度。

      (2)5#煤回采巷道實際支護(hù)效果及分析。依據(jù)對所選3座煤礦回采巷道變形情況的長期觀察,巷道的變形量主要集中在兩個階段。

      第一階段為巷道開挖40~60天期間,變形主要發(fā)生在采空區(qū)下方巷道,兩幫下側(cè)開始凸出,之后底鼓顯現(xiàn),頂板偏向一側(cè)下沉,巷道兩幫平均移進(jìn)量260mm,頂?shù)装迤骄平?40mm;布置在殘留煤柱下方的巷道,本階段變形不明顯。

      第二階段發(fā)生在回采期間,超前工作面70m范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重,出現(xiàn)錨桿尾部斷裂,托盤壓突的現(xiàn)象,兩幫由局部鼓出發(fā)展到整個煤幫,兩幫平均移近量約1.5m,頂?shù)灼骄平?.4m;煤柱下方巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈,超前支護(hù)段單體柱頂梁折損嚴(yán)重,插底深度超過0.6m。相鄰工作面巷道(30m保護(hù)煤柱)受側(cè)向支撐壓力影響也出現(xiàn)相同的變形規(guī)律。

      結(jié)合礦山壓力理論,認(rèn)為巷道開挖后,薄板在初期受錨桿支護(hù)的約束,能形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu);后期兩幫煤體擴(kuò)容外凸,頂部泥巖裂隙擴(kuò)展,薄板完整性遭到破壞,承載方式由兩端固支變成簡支,巷道中部極易受拉破壞;殘留煤柱下方頂板裂隙貫穿整個泥巖薄板,在掘進(jìn)當(dāng)時就出現(xiàn)嚴(yán)重冒落,故第一階段顯現(xiàn)不明顯。第二階段,受超前支承應(yīng)力影響,巷道出現(xiàn)二次變形,煤體由于強度較低,鼓出嚴(yán)重;煤柱殘留區(qū)下方巷道受超前支承應(yīng)力和煤柱應(yīng)力疊加影響,兩幫煤體塑性區(qū)向圍巖深部發(fā)展,一旦達(dá)到峰值應(yīng)力,極易裂成塊狀,殘余支承能力顯著下降,兩幫大面積擠出,頂板下沉顯著。

      2.架棚二次支護(hù)

      柳林礦區(qū)采用大U型通風(fēng)系統(tǒng),巷道掘進(jìn)采用雙巷掘進(jìn),巷道掘成后服務(wù)時間在8個月以上,單一的錨網(wǎng)索支護(hù)只能在短期內(nèi)確保巷道圍巖穩(wěn)定,為確保巷道在整個服務(wù)期間安全可靠,采用錨網(wǎng)索+架棚復(fù)合支護(hù)技術(shù)。一次性完成錨網(wǎng)索和架棚支護(hù)是許多煤礦在先期的主要做法,后期發(fā)現(xiàn)巷道變形問題仍不能從根本上得到解決,不論是采用矩形巷道還是拱形巷道,棚架的變形和損壞都相當(dāng)嚴(yán)重,往往需要二次刷巷支護(hù)??偨Y(jié)礦區(qū)架棚支護(hù)失敗經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)棚架支護(hù)阻力有限,關(guān)鍵是要提高圍巖自身承載能力,適時架棚給予破碎巖體充足的圍壓,發(fā)揮圍巖殘余支撐能力。

      (1)兩幫補打錨索。在錨(索)網(wǎng)支護(hù)基礎(chǔ)上,兩幫加錨索固幫,減少兩幫施加給棚架的橫向推力,錨索錨固端以進(jìn)入兩幫煤體彈性段為宜。利用鉆孔窺視儀觀察兩幫鉆孔裂隙和變形情況,發(fā)現(xiàn)距離煤幫3.5m后鉆孔變形和裂隙變化不明顯(回采前),根據(jù)現(xiàn)有的施工技術(shù),兩幫采用長度5.8m,直徑17.8mm錨索,錨固長度大于1.8m,預(yù)緊力不得低于160KN。

      (2)薄板泥巖結(jié)構(gòu)尚未破壞區(qū)域,第一階段巷道圍巖變形穩(wěn)定后架棚支護(hù)。架棚過早,第一階段圍巖變形容易壓彎棚架,扭曲的棚架支護(hù)阻力顯著下降,失去對圍巖的抵抗能力,架棚過晚,頂板泥巖破壞后冒落范圍擴(kuò)大,架棚背板工程量增加,棚架與圍巖之間受力不均。

      (3)薄板泥巖結(jié)構(gòu)破壞區(qū)域,掘進(jìn)期間頂板容易冒落,錨(索)網(wǎng)支護(hù)后,要及時架棚支護(hù),背板嚴(yán)實。架棚支護(hù)的關(guān)鍵在于保證棚架結(jié)構(gòu)恒定的支護(hù)阻力和良好的變形讓壓性能,既要求棚架能發(fā)揮最大的支撐作用,也要求在壓力較大的情況下棚架能夠讓壓,防止折損,保持對破碎圍巖恒定的抵抗力。

      (4)拱形巷道采用U型鋼可升縮支架,棚腿打孔插入錨桿緊固,架間鋼筋連鎖,提高整體剛度。U型鋼排距以與錨桿排距相同為宜,棚架型號不得低于29#,卡纜緊固有力,阻力不得低于140KN。矩形巷道采用單體柱+一字鉸接頂梁支護(hù),單體柱直徑不得低于100mm,壓力較大時,需及時補打點柱,防止頂梁損壞。

      (5)相鄰巷道受側(cè)向支承壓力的影響,容易壓彎棚架,回采期間距離回采工作后方120m范圍內(nèi)應(yīng)加強支護(hù)。

      (6)拱形斷面在掘進(jìn)時需要切割一定厚度的頂板泥巖,在頂板較薄的前提下,再次切割容易降低頂板承載能力;拱肩兩處的煤體自穩(wěn)能力差,容易片落,不利于錨桿支護(hù),架棚時背板工作量大;回采期間拱形巷道超前支護(hù)困難,坑木損耗較大,建議使用矩形巷道,錨(索)網(wǎng)一次支護(hù),單體柱抬棚二次支護(hù),具有成型良好、后期拆除快捷、勞動消耗小、重復(fù)利用高的優(yōu)點。

      三、結(jié)論

      柳林礦區(qū)特殊的薄板泥巖結(jié)構(gòu),在經(jīng)受4#煤采動應(yīng)力以及殘留煤柱集中應(yīng)力影響下,下組5#煤巷道穩(wěn)定性較差,巷道變形的階段性決定巷道支護(hù)宜采用復(fù)合分段支護(hù),錨網(wǎng)索為基礎(chǔ)支護(hù),煤幫補打錨索加強支護(hù),架棚二次支護(hù),棚架結(jié)構(gòu)可靠的支撐阻力和讓壓性是確保巷道二次變形時穩(wěn)定的關(guān)鍵?,F(xiàn)場實踐證明,采用分段支護(hù)后,礦區(qū)內(nèi)回采巷道大面積破壞的現(xiàn)象基本消失,分段式雙重支護(hù)既經(jīng)濟(jì)又安全,值得推廣。

      (作者單位:呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系)

      (責(zé)任編輯:周瓊)

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