趙冬生
(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦, 山西 孝義 032300)
厚煤層開采在我國井工煤礦開采中占據(jù)較大比重,目前厚煤層的產(chǎn)量、儲量在全國煤炭的產(chǎn)、儲量中所占的百分比高達(dá)40%以上[1-3],而厚煤層開采,其工作面回采巷道多布置在煤層中并沿煤層底板掘進(jìn),這種掘進(jìn)方式具有綜合機(jī)械化掘進(jìn)、掘進(jìn)速度快、掘進(jìn)成本低等優(yōu)勢,卻也存在巷道斷面大、巷道留頂煤、頂幫煤體裂隙發(fā)育、圍巖控制困難等問題。本文針對2207綜放工作面軌道順槽煤與泥巖復(fù)合頂板條件下的支護(hù)工作展開研究,分析其圍巖破壞機(jī)理及支護(hù)原則,并依據(jù)具體地質(zhì)生產(chǎn)條件設(shè)計(jì)針對性支護(hù)方案及鉆孔卸壓方案,從而實(shí)現(xiàn)采掘過程中對巷道圍巖的有效控制。
2207工作面開采水平標(biāo)高+470 m,主采3號煤層,煤層底板標(biāo)高范圍+462~+516 m,煤層傾角0°~7°,煤層平均厚度5.75 m,煤層賦存結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,回采范圍內(nèi)含多條正斷層及陷落柱,對回采影響較大。采用綜采放頂煤回采工藝,一次采全高,全部垮落法管理頂板,機(jī)采高度3 m,放煤厚度2.75 m,割煤及放煤步距均為0.75 m。工作面頂板條件:直接頂為厚度1.5 m的砂質(zhì)泥巖,裂隙發(fā)育較松軟,老頂為5.3 m厚的細(xì)粒砂巖,水平層理,賦存較穩(wěn)定,直接底為0.7 m的砂質(zhì)泥巖,基本底為2.6 m的細(xì)粒砂巖。2207工作面軌道順槽沿煤層底板掘進(jìn),巷道斷面為矩形斷面,規(guī)格為4 800 mm×3 500 mm(凈寬度×凈高度),計(jì)劃采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)方式。
根據(jù)經(jīng)典礦壓理論及相關(guān)研究文獻(xiàn)[4,5],結(jié)合本工作面及巷道的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件,以及現(xiàn)場調(diào)研及礦壓觀測發(fā)現(xiàn)的圍巖變形情況及特點(diǎn),對2207軌道順槽的圍巖破壞機(jī)理進(jìn)行分析。巷道開挖后,巷道圍巖因臨空面的產(chǎn)生,由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向或單向應(yīng)力狀態(tài)。對于巷道頂板,首先從頂板巖性條件分析,直接與巷道空間接觸的是大約2.25 m厚的頂煤,其上為1.5 m的砂質(zhì)泥巖直接頂,均為裂隙發(fā)育、易離層破碎的軟弱圍巖,對外部支護(hù)的依賴性高,不易支護(hù);其次巷道兩幫破壞及底板鼓起,使整個巷道圍巖的整體性劣化,兩幫及底板的破壞惡性循環(huán),導(dǎo)致對頂板的支撐能力減弱,頂板巖層的塑性破壞區(qū)向深部發(fā)展,圍巖的自穩(wěn)能力減弱,需要在外部支護(hù)的幫助下在更大的范圍內(nèi)形成承載結(jié)構(gòu),對圍巖的支護(hù)及強(qiáng)度提出更高要求。
在巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)時,必須考慮以下原則:
1)“支護(hù)—圍巖”系統(tǒng)化原則。巷道支護(hù)不能脫離圍巖條件而單獨(dú)起作用是行業(yè)內(nèi)的共識,在支護(hù)方案設(shè)計(jì)時必須充分考慮“支護(hù)—圍巖”的系統(tǒng)化,支護(hù)結(jié)構(gòu)要充分適應(yīng)圍巖、加固圍巖,幫助圍巖形成自己的承載結(jié)構(gòu),提高圍巖的自穩(wěn)能力及承載能力,削弱礦山壓力對外部支護(hù)的依賴。
2)圍巖內(nèi)外協(xié)同支護(hù)原則。打設(shè)在圍巖內(nèi)部的錨桿、錨索等支護(hù)方式屬于內(nèi)部支護(hù),支設(shè)在巷道空間內(nèi)的單體液壓支柱、木垛等屬于外部支護(hù)。應(yīng)重視圍巖的內(nèi)、外協(xié)同支護(hù),而不能僅依靠一種方式,如對于已經(jīng)使用錨桿索支護(hù)的頂板,巷道中部發(fā)生的彎沉變形,如果配合單體液壓支柱進(jìn)行巷道中部支護(hù),則能起到很好的支護(hù)效果。
3)超前支護(hù)及加固原則。巷道掘進(jìn)及初期支護(hù)完成后,圍巖變形會有一個迅速發(fā)展并逐漸穩(wěn)定發(fā)展的過程,受本工作面回采超前支承壓力的二次擾動,圍巖會再次發(fā)生劇烈變形。因此必須在二次擾動前對巷道進(jìn)行超前支護(hù)及加固,防止圍巖變形的大量積累或失控,保證巷道的足夠斷面空間。
4)支護(hù)方案及圍巖管理的互饋調(diào)整。根據(jù)現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)構(gòu)及圍巖變形控制情況,及時分析支護(hù)方案及頂板管理措施的合理性,并進(jìn)行互饋調(diào)整,使支護(hù)方案及頂板管理措施更好的適應(yīng)現(xiàn)場地質(zhì)生產(chǎn)條件,并為后續(xù)相似條件的巷道提供借鑒。
該巷道設(shè)計(jì)沿用本采區(qū)其他工作面順槽的支護(hù)方式,即錨桿索—金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式。其中頂板錨桿選用L=2 400 mm,Φ22 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,頂部每排6根,間排距860 mm×1 000 mm,幫部錨桿選用L=2 400 mm,Φ22 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,每排3根,間排距1 300 mm×1 000 mm,均適用兩支中速樹脂錨固劑;頂板錨索選用L=4 300 mm,Φ22 mm鋼絞線錨索,每組3根,采用小三花布置方式,間排距2 400 mm×2 000 mm,3支樹脂錨固劑,施加預(yù)應(yīng)力不低于250 kN,配合鋼筋托梁及金屬網(wǎng)支護(hù)。
工作面回采過程中,2207軌道順槽受采空區(qū)側(cè)向支承壓力、本工作面?zhèn)认蛑С袎毫?、工作面超前支承壓力疊加影響,尤其是工作面與軌道順槽三角區(qū)域、軌道順槽超前30 m范圍內(nèi),巷道頂板下沉明顯,兩幫劇烈收縮,礦壓壓力動壓顯現(xiàn)明顯,圍巖控制困難。在采取相應(yīng)超前支護(hù)方案的前提下,設(shè)計(jì)在工作面周期來壓前夕即動壓影響前采取鉆孔卸壓措施。設(shè)計(jì)打鉆位置在軌道順槽內(nèi)超前煤壁10~30 m范圍內(nèi),每次打鉆孔5個,孔距5 m,孔深不低于15 m,孔徑110 mm。打鉆孔垂直煤壁打設(shè),孔口位置距離底板1.5 m。打設(shè)時機(jī)根據(jù)現(xiàn)場礦壓觀測、周期來壓步距綜合確定。
從現(xiàn)場工程實(shí)踐情況及后期礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以得出:本支護(hù)方案對巷道圍巖控制效果良好,受回采應(yīng)力擾動前(巷道位于煤壁50 m以外)巷道頂?shù)装逡平靠刂圃?0~106 mm,兩幫移近量控制在25~112 mm,圍巖控制效果較好;受回采應(yīng)力擾動后,綜合使用支設(shè)超前液壓支柱、打卸壓鉆孔、煤層注水軟化降塵等圍巖控制措施,巷道圍巖變形雖明顯發(fā)展,但整體控制效果穩(wěn)定,滿足了行人、通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)雀黜?xiàng)安全生產(chǎn)要求。