張雪峰
(晉能控股集團 晉城煤炭事業(yè)部趙莊煤業(yè), 山西 晉城 046600)
長期以來,煤炭一直是我國的主要消費能源,支撐著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展。受煤炭資源賦存特征影響,我國煤礦以地下開采為主,需要掘進大量的地下巷道,因此,巷道的穩(wěn)定控制是保證煤礦安全高效生產(chǎn)的重要因素之一。錨桿(索)支護屬于主動支護,支護效果好,廣泛應(yīng)用于我國大中小礦井[1-5]。根據(jù)礦井采掘規(guī)劃,趙莊煤業(yè)采用雙巷掘進,巷道之間留設(shè)寬度為50 m的煤柱,在煤柱下方布置了1條底抽巷進行瓦斯抽采。根據(jù)現(xiàn)場反饋結(jié)果,13092巷圍巖受鄰近底抽巷掘進影響(13092巷和13091巷之間煤柱下方),幫部錨索預(yù)應(yīng)力嚴重衰減,在工作面采動期間,巷道出現(xiàn)了嚴重變形。
趙莊煤業(yè)13102巷服務(wù)于1310和1311工作面,13101巷與13102巷留設(shè)寬度50 m的煤柱,兩巷掘進前,在煤柱下方布置了1條底抽巷進行瓦斯抽采,底抽巷與煤層間距15~16 m,與13102巷水平距離20 m,見圖1。13102巷掘進揭露4.75 m厚的煤層,頂?shù)装逡阅鄮r、砂質(zhì)泥巖為主。為防止13102巷受工作面重復(fù)采動影響,巷道出現(xiàn)嚴重變形,在趙莊煤業(yè)13102巷進行必要的補強支護,從而實現(xiàn)巷道的穩(wěn)定控制。
錨索補強設(shè)計需要考慮的因素有錨索選型、間排距設(shè)計、錨固力設(shè)計并達標、錨固力長效保持。
1) 錨索選型。主要是錨索長度,需要依據(jù)巷道變形規(guī)律和圍巖最大破壞深度,使錨索錨固段處于相對穩(wěn)定的深度中,防止錨索脫錨與圍巖同步鼓出,起不到應(yīng)有的作用。
2) 間排距設(shè)計。目前主要問題是支護密度不足,鄰近巷道(13092巷)經(jīng)過補強的幫部,煤壁鼓出時,錨索位置鼓出量與錨索之間鼓出量明顯不同步,甚至使錨索剪切破壞。13102巷計劃采用對比試驗的方式,對比不同支護方案下的支護效果,為最終補強方案確定提供依據(jù)。
圖1 13102巷布置
3) 錨固力設(shè)計并達標。根據(jù)趙莊礦一盤區(qū)實際,幫錨索錨固力應(yīng)不小于26 MPa,但由于受底抽巷瓦斯抽放鉆孔、煤質(zhì)酥軟、構(gòu)造區(qū)影響,有相當部分錨索達不到設(shè)計錨固力,集中在中排和下排。錨固力不足最終造成錨索與煤壁同時鼓出,并未起到有效支護作用,因此,必須使錨固力達標。在圍巖破壞深度增加以前,及早補強、超前注漿能夠一定程度上提高錨索錨固力,配合注漿加長錨固效果更佳。
4) 錨固力長效保持。即使初始錨固力能夠達標,隨著圍巖變形,破壞深度增大,裂隙增多,錨固力逐漸散失,并且越到工作面后方,破壞深度越大,影響越嚴重,最終可能造成錨固失效。因此,必須使巷道破壞深度達到最大時,錨索仍有較大錨固力。
2.1.1 正常區(qū)域
頂板錨索原布置方式:大部分為全錨索,每排5根,排距1.2 m,錨索長度6.4 m。
錨索補強設(shè)計:補強錨索每排3根,均布置在原錨索空隙正中位置,五花布置。第一排錨索從靠近左幫開始,最左幫1根打在原錨索第1根和第2根正中,中間1根打在原錨索第2根和第3根正中,最右?guī)?根打在原錨索第4根和第5根正中。第二排錨索從靠近右?guī)烷_始,錨索長度8.4 m,見圖2。補強錨索均采用3支錨固劑,先放1支規(guī)格為MSK2335,后放2支規(guī)格為MSZ2360,鉆孔直徑30 mm,鉆孔深度8 050~8 150 mm,錨固長度為1 970 mm,預(yù)緊力不小于150 kN,錨索外露長度為鎖具以外150~250 mm,下同。
圖2 正常區(qū)域頂板補強錨索布置(mm)
2.1.2 特殊區(qū)域
橫川口前后20 m頂板暴露范圍大,應(yīng)力集中,架棚區(qū)、破碎區(qū)、構(gòu)造區(qū)頂板完整性差、強度低,是頂板下沉最嚴重區(qū)域,也是最大的安全隱患。如果支護強度不足,頂板將會發(fā)生較大下沉且逐漸惡化,甚至發(fā)生冒頂。錨索必須加密。必要時對出現(xiàn)破碎區(qū)域及時架棚并采用“一梁四柱”支撐方式。
錨索補強設(shè)計:補強錨索每排4根錨索,均布置在原錨索空隙正中位置,錨索長度8.4 m,見圖3。
2.2.1 正常區(qū)域
1) 在原兩排錨索正中補打1排錨索,補打錨索每排3根,錨索型號SKP22-1/1720-8 400 mm。最上1根錨索距離頂板800 mm,仰角11°;第2根錨索距離上部錨索1 500 mm,仰角0°;第3根錨索距離第2根錨索1 500 mm。新補打的1排錨索之間使用1根鋼筋梯梁連接在一起。
2) 在原錨索兩根之間正中位置再補打1根錨索,錨索型號SKP22-1/1 720-8 400 mm,仰角0°,使最終形成“三三三三三”錨索布置形式。補強后錨索布置形式見圖4。
圖3 特殊區(qū)域頂板補強錨索布置(mm)
圖4 正常區(qū)域巷幫錨索補強布置(mm)
2.2.2 特殊區(qū)域
13102巷所有的橫川口前后20 m、架棚區(qū)、破碎區(qū)、構(gòu)造區(qū)為特殊區(qū)域。此段頂板壓力作用明顯,根據(jù)13092巷觀測結(jié)果,預(yù)計是巷道變形最為嚴重的區(qū)域,計劃對幫錨索進行加密設(shè)計,見圖5。
1) 在原兩排錨索正中補打1排錨索,補打錨索每排4根,錨索型號SKP22-1/1 720-8 400 mm。最上1根錨索距離頂板800 mm,仰角11°;第2根錨索距離上部錨索1 100 mm,仰角0°;第3根錨索距離第2根錨索1 100 mm,仰角0°;第4根錨索距離第3根錨索1 100 mm,仰角0°。新補打的1排錨索之間使用1根鋼筋梯梁連接在一起。
2) 在原錨索兩根之間正中位置再補打1根錨索,錨索型號SKP22-1/1 720-8 400 mm,仰角0°,使最終形成“四三四三四”錨索布置形式。
13102巷錨索補強支護技術(shù)應(yīng)用于趙莊煤業(yè)13102巷,同時采用十字測試法,監(jiān)測了巷道變形情況。圖6、圖7分別給出了1310工作面和1311工作面采動期間巷道變形情況。
圖5 特殊區(qū)域巷幫錨索補強設(shè)計(mm)
圖6 1310工作面采動期間巷道變形情況
受1310工作面采動影響,巷道頂板最大變形量約64 mm,兩幫最大變形量約72 mm,受1311工作面采動影響,巷道頂板最大變形量約200 mm,兩幫最大變形量約222 mm。整體來看,13102巷在服務(wù)期內(nèi),圍巖變形量和變形速度均較小,表明了13102巷錨索補強支護技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。
圖7 1311工作面采動期間巷道變形情況