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      四老溝礦5119巷高應(yīng)力區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)措施

      2022-11-25 03:16:08邵繼華
      煤礦現(xiàn)代化 2022年6期
      關(guān)鍵詞:鋼帶鋼絞線錨索

      邵繼華

      (晉能控股煤業(yè)集團(tuán),山西 大同 037003)

      0 引言

      頂板事故是一種危害非常大煤礦事故之一,后果不容被忽視[1,2]。很多礦井在開采過程中經(jīng)常會遇到高應(yīng)力區(qū)域,導(dǎo)致礦壓變化劇烈,原有的支護(hù)體失效嚴(yán)重,很容易發(fā)生冒頂事故,所以需要在原有支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行合理有效的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)[3-6]。

      四老溝礦C3-5號層5119巷在推進(jìn)至35~45 m時,巷道頂板承受壓力變得非常大。結(jié)果導(dǎo)致工作面掘進(jìn)施工過程中遇到了支架下沉、支護(hù)體變形嚴(yán)重甚至失效的情況,甚至發(fā)生過冒頂事故。以理論分析為指導(dǎo),從C3-5號層實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造條件、巷道圍巖破壞和變形現(xiàn)狀及現(xiàn)有支護(hù)失效模式出發(fā),分析出此段巷道發(fā)生變形的起因如下:

      1)應(yīng)力大且集中。軌道大巷在之前施工中經(jīng)受過三次動壓影響,導(dǎo)致圍巖應(yīng)力有很大增幅,與原始應(yīng)力相互疊加,垂直方向應(yīng)力可以達(dá)到20 MPa,應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重;加上護(hù)巷煤柱長期以來造成的支承壓力影響,致使此段巷道圍巖軟化現(xiàn)象嚴(yán)重、變形量增大、變形速率變快,且有大面積松動,覆蓋范圍甚至可達(dá)3 m以上,錨桿無法發(fā)揮有效的錨固作用,極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

      2)圍巖體強(qiáng)度低。此煤層頂板巖層的巖性大部分為泥巖或巖漿巖等軟弱巖層,本身圍巖力學(xué)性能差,強(qiáng)度低,且?guī)r體中節(jié)理和裂隙較為發(fā)育,在應(yīng)力較高的區(qū)域難以起到支撐作用。

      3)地下水的作用。巷道經(jīng)常受地下水的侵蝕,致使圍巖膨脹、泥化、變形;圍巖中還存在很多黏土礦物,遇水后體積也會增加,導(dǎo)致泥化和軟化,所以這段區(qū)域圍巖強(qiáng)度過低,承載力不夠。

      4)支護(hù)方式不合理。此段巷道為多條巷道的交叉處,其中一側(cè)臨近煤層,巷道的埋深在800 m左右,為典型的高應(yīng)力加軟圍巖巷道。巷道的形狀為直墻半圓拱形,支護(hù)采用的是錨網(wǎng)索,破碎區(qū)域用注漿進(jìn)行加固。鑒于上文提到的各種原因,圍巖可錨性不高,布設(shè)的錨桿無法發(fā)揮應(yīng)有的錨固作用,尤其在松軟破碎區(qū),圍巖自穩(wěn)能力差,允許空頂時間短,難以發(fā)揮錨桿與錨索自身的承載性能;另外對頂板和兩幫的底角也沒有特殊的加強(qiáng)支護(hù)措施,導(dǎo)致這些區(qū)域破壞嚴(yán)重,巷道最終失穩(wěn)。

      5)底板無控底措施。巷道沒有采取控底措施,底板和底角的位置未進(jìn)行有效的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。巷道開挖后,底板沒有任何支護(hù),處在完全敞開的狀態(tài),無法起到支護(hù)承載體的作用;上方頂板經(jīng)常滲水,地面上又有積水的浸泡,導(dǎo)致底板變形嚴(yán)重,一旦遭遇高應(yīng)力,極易成為巷道變形和破壞的突破口,使頂板和兩幫變形加劇,最終導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

      6)支護(hù)構(gòu)件失效。頂板和兩幫原來設(shè)置的支護(hù)構(gòu)件都或多或少出現(xiàn)了失效情況,如金屬網(wǎng)兜撕裂、錨桿彎曲、錨索破裂等,導(dǎo)致有些地方巖石發(fā)生垮落。

      基于上述種種原因,四老溝礦C3-5號層5119巷原有的支護(hù)措施已經(jīng)不能保證生產(chǎn)中的安全。為了解決此問題,本文制定了針對性的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),并提出防止頂板事故的措施,改善圍巖應(yīng)力環(huán)境,增加穩(wěn)定性,保證礦井安全生產(chǎn)。

      1 變更前支護(hù)形式

      頂板采用規(guī)格為4 800 mm×330 mm×6 mm的JW鋼帶進(jìn)行支護(hù),用φ21.8 mm×8 300 mm鋼絞線配合異形托盤(220 mm×200 mm×12 mm)及鎖具,間排距為1 150 mm×900 mm;三眼組合錨索加強(qiáng)支護(hù),五花布置,采用φ21.8 mm×8 300 mm配合高強(qiáng)托盤(500 mm×500 mm×16 mm)及鎖具。

      幫部上2排支護(hù)采用φ20 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋錨桿(MG400)和φ17.8 mm×5 000 mm錨索聯(lián)合支護(hù),呈三花布置。間排距為1 000 mm×1 000 mm。錨桿配合參數(shù)為450 mm×250 mm×3 mm的W型短節(jié)鋼帶和規(guī)格110 mm×110 mm×10 mm的球形托盤,錨索配合250 mm×250 mm×16 mm的高強(qiáng)托盤和鎖具,在頂板以下400 mm位置,與水平線呈10°夾角設(shè)置最上排支護(hù),且錨索要與頂部JW鋼帶對齊。最下排護(hù)幫采用φ20 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋錨桿(MG400)支護(hù),與水平線呈-20°夾角,間排距為1 000 mm×1 000 mm。

      工作面進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)之后,直接頂初次分層跨落,多處局部下沉,錨索預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重衰減,圍巖破碎變形、離層等情況隨之而來,錨桿、錨索支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重,并伴隨有局部冒頂出現(xiàn),極易發(fā)生頂板大面積垮落事故。原有的支護(hù)措施已經(jīng)不能保證巷道頂板完整和掘進(jìn)安全,需要進(jìn)行必要的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),通過該區(qū)域后,仍按原設(shè)計進(jìn)行施工。

      2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施

      2.1 穿鋼針

      利用探放水鉆機(jī)及鉆桿(φ33 mm,長1 500 m)施工鋼針,掘進(jìn)5 m施工一次,每次一排長6 m,鋼針穿設(shè)后巷道高度不低于3 500 mm,鋼針間距為300 mm,施工角度≤5°,沿煤層傾角水平布置。如巷道迎頭存在小范圍垮落區(qū)域,可在垮落區(qū)域支護(hù)結(jié)束后,視現(xiàn)場情況增加鋼針排數(shù),但排距不大于500 mm。掘進(jìn)不得超過鋼針穿設(shè)距離,留有0.5 m安全搭接距離。

      2.2 注馬麗散

      根據(jù)高應(yīng)力區(qū)域頂板破碎情況、頂幫煤巖松動及垮落情況,采取加注馬麗散的措施。對頂板及巷幫松軟、破碎區(qū)域采用施工加固眼孔、注射加固材料的形式進(jìn)行加固,加固眼孔距巷道底板3 m,仰角20°,深度5 m,施工4個孔,注射效果以圍巖結(jié)膠、滲出為宜。按照4 m一次循環(huán)進(jìn)行施工,但要根據(jù)工作面情況,可以提前或適當(dāng)延長注馬麗散周期。

      圖1 穿設(shè)鋼針剖面及正面布置圖

      2.3 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

      取消錨索組支護(hù)。頂板采用4 800 mm×330 mm×6 mm的JW鋼帶進(jìn)行支護(hù),用φ21.8 mm×8 300 mm鋼絞線配合異形托盤(220 mm×200 mm×12 mm)及鎖具,間排距為1 150 mm×600 mm。

      圖2 變更前后頂板支護(hù)平面圖

      2.4 幫部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

      幫部支護(hù)間排距由原來的1 000 mm×1 000 mm變更為800 mm×1 000 mm。上2排支護(hù)采用φ20 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋錨桿(MG400)和φ17.8 mm×5 000 mm錨索聯(lián)合支護(hù),呈三花布置。錨桿配合450 mm×250 mm×3 mm的W型短節(jié)鋼帶和110 mm×110 mm×10 mm的球形托盤,錨索配合250 mm×250 mm×1 6 mm的高強(qiáng)托盤和鎖具,最上排支護(hù)距頂板≤400 mm且與水平線呈10°夾角。最下排護(hù)幫采用φ20 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋錨桿(MG400)支護(hù),與水平線呈-20°夾角。

      當(dāng)巷道高度超過4 m或幫部煤體破碎時,增打第四排護(hù)幫,并與原最下排支護(hù)一致。因煤體疏松緣故,錨桿支護(hù)效果不理想,可采用φ17.8 mm×5 000 mm錨索配合500 mm 11號短節(jié)工字鋼梁(500 mm)及W型短節(jié)鋼帶(450 mm×250 mm×3 mm)和鎖具進(jìn)行支護(hù),短節(jié)鋼帶在里,工字鋼梁在外。

      圖3 變更前后護(hù)幫支護(hù)平面圖

      2.5 頂煤異常破碎時支護(hù)措施

      頂煤在高應(yīng)力下異常破碎時,需鋪設(shè)金屬網(wǎng),采用雙層錯孔鋪設(shè)。在JW鋼帶間打設(shè)單眼錨索,采用500 mm長11號短節(jié)工字鋼梁配合φ21.8 mm×8 300 mm鋼絞線。根據(jù)現(xiàn)場頂煤厚度,如8 300 mm鋼絞線未錨固在穩(wěn)定巖層中,則要打設(shè)φ21.8 mm×10 300 mm鋼絞線。如JW鋼帶間、巷道肩部網(wǎng)包較大,需將網(wǎng)包內(nèi)碎煤放盡,隨后打設(shè)角錨索,采用500 mm長11號短節(jié)工字鋼梁配合φ17.8 mm×5 000 mm鋼絞線。

      圖4 頂煤異常破碎區(qū)域支護(hù)平面圖

      采用噴漿護(hù)表工程來應(yīng)對頂煤異常破碎,為防止碎渣掉落,保證噴漿厚度≥100 mm。里程340 m開始內(nèi)采用DW-45-110X單體支柱及11號工字鋼梁,采用“一梁三柱”形式進(jìn)行支護(hù),中柱沿巷道中心線方向布置,邊柱到巷幫的距離為300 mm,排距1 000 mm。

      當(dāng)巷道高度過高,以至于大于單體柱極限距離時,可支設(shè)直徑≥200 mm的木柱。超高區(qū)域要在治理結(jié)束后立即補(bǔ)齊單體支護(hù)。假頂區(qū)域支設(shè)在已有工字鋼梁上。在規(guī)定區(qū)域外頂板下沉區(qū)域需支設(shè)單體柱區(qū)域也按照上述要求支設(shè)。

      2.6 其它措施

      錨桿配套減磨墊片和高強(qiáng)托盤調(diào)心球墊使用,錨固力≥125 kN,幫錨桿預(yù)緊力矩≥250 N·m,外露長度10~50 mm。

      φ17.8 mm規(guī)格的錨索錨固力≥320 kN,預(yù)緊力≥180 kN;φ21.8 mm的錨索錨固力≥520 kN,預(yù)緊力≥290 kN;外露長度均為150~250 mm。

      最上排護(hù)幫支護(hù)距頂板≤400 mm。連接各菱形網(wǎng)時要牢固,且相互對齊,避免錯差和裂縫。頂網(wǎng)相互搭接≥200 mm,用14號雙股鉛絲“三花”固定,間距為200 mm。

      2.7 掘進(jìn)要求

      JW鋼帶最大和最小空頂距分別為0.8、0.3 m,不得超控頂作業(yè)。上兩排護(hù)幫支護(hù)最多滯后工作面迎頭2 m,最下排最多滯后工作面迎頭8 m。超寬處支護(hù)當(dāng)班必須補(bǔ)打,采用與頂板同規(guī)格鋼絞線配合500 mm長的11號工字鋼。

      采用小斷面分次截割方式割煤,嚴(yán)禁一次全斷面截割成型,隨掘隨支,每次截深不得大于500 mm,采用φ21.8 mm×8 300 mm鋼絞線配合250 mm×250 mm×16 mm高強(qiáng)托盤進(jìn)行小斷面內(nèi)支護(hù)后進(jìn)行下次截割。JW鋼帶支護(hù)排距支護(hù)排距不得大于600 mm;金屬網(wǎng)搭接距離≥100 mm,采用14號雙股鉛絲扭結(jié)成三花狀。

      局部底鼓區(qū)域進(jìn)行平整工作,補(bǔ)打失效支護(hù)。巷道幫部變形嚴(yán)重區(qū)域在原有支護(hù)基礎(chǔ)上補(bǔ)打φ17.8 mm×5 000 mm錨索;炸幫嚴(yán)重區(qū)域或失效集中區(qū)域補(bǔ)打一排護(hù)幫。

      如按照變更后支護(hù)措施發(fā)現(xiàn)巷道圍巖仍有較大形變,立即停掘,匯報相關(guān)領(lǐng)導(dǎo),再行制定措施后方可掘進(jìn)??筛鶕?jù)施工現(xiàn)場情況增加支護(hù),所使用支護(hù)材料必須與原支護(hù)材料一致。

      以20 m間距安裝離層儀,做好礦壓觀測工作,頂板離層及巷道位移情況要如實(shí)記錄并分析。局部底鼓區(qū)域進(jìn)行平整工作,補(bǔ)打失效支護(hù);巷道幫部變形嚴(yán)重區(qū)域在原有支護(hù)基礎(chǔ)上補(bǔ)打φ17.8 mm×5 000 mm錨索;炸幫嚴(yán)重區(qū)域或失效集中區(qū)域補(bǔ)打一排護(hù)幫。

      3 安全技術(shù)措施

      開工前,嚴(yán)格執(zhí)行敲幫問頂和“四位一體”檢查制度,準(zhǔn)備工作做好后,解決完遺留問題方可施工。

      全面檢查頂板狀況,確認(rèn)安全后方可打錨桿眼。必須用機(jī)械或力矩扳手將錨桿擰緊,確保錨桿的托盤和巷幫貼緊。交接班時,當(dāng)班跟班負(fù)責(zé)人必須對每班安裝的錨桿進(jìn)行逐個檢測,及時發(fā)現(xiàn)問題并解決,比如錨固力未達(dá)到設(shè)計要求的錨桿必須當(dāng)班補(bǔ)打,重新安裝。

      安裝托盤時必須保證與圍巖接觸嚴(yán)密,盡量減少縫隙,托盤、螺母要上緊上牢,以防滑落,不得在托盤后充填木片、矸物,錨桿外露長度≤50 mm;失效支護(hù)及時補(bǔ)打。使用風(fēng)動錨桿機(jī)安裝錨桿,嚴(yán)禁采用砸投的方法將錨桿直接砸入錨固劑內(nèi),很容易使錨桿損壞,而且安裝不牢固;避免桿體的晃動或移位,直至錨固劑固化穩(wěn)定;安裝頂眼時,要在錨桿安注3 min后再給錨桿預(yù)緊力。

      施工現(xiàn)場要正確進(jìn)行拉力試驗(yàn),一般采用測力扳手或測力計,注意不要損壞器材。預(yù)注馬麗散時,工作人員要做好自我防護(hù)工作,防止液體濺入眼睛或皮膚表面,聽從廠家人員指導(dǎo),嚴(yán)禁獨(dú)自施工。穿設(shè)鋼針人員要配合探放水隊施工,嚴(yán)格服從探放水隊現(xiàn)場人員指揮,不得獨(dú)自施工。巷道掘進(jìn)過程中,如遇煤炮頻率有明顯增加或響動明顯變大時,立即停工撤人。保證巷道行人側(cè)暢通。

      單體柱支設(shè)必須達(dá)到設(shè)計初撐力,穿鞋帶帽,并連接防倒防拽裝置。優(yōu)先支護(hù)變形嚴(yán)重區(qū)域。單體支柱在信號木柱支設(shè)區(qū)域無法連接防倒防拽裝置時,單體柱要與信號木柱或頂板進(jìn)行固定,防止卸壓后傾倒傷人。

      4 效果分析

      原來的圍巖單軸抗壓強(qiáng)度為20 MPa,注馬麗散后變?yōu)?0 MPa,承載能力增大了1.5倍,穩(wěn)定性明顯增強(qiáng);后來使用的JW型鋼帶不易彎曲變形,剛度更大,能起到更好的支護(hù)作用;補(bǔ)強(qiáng)后的錨索和錨桿,彎曲變形減少,壓強(qiáng)度和錨固效果提高。這些措施都使得頂板危險大幅降低。

      對高應(yīng)力區(qū)巷道進(jìn)行支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)后,在后續(xù)生產(chǎn)中頂板蠕動變形速率降低,下沉量基本不高于100 mm,頂?shù)装宓南鄬σ平繙p少了19.2 %,錨桿失效率大幅降低,達(dá)到5%以下,錨索受力強(qiáng)度較原來增加了13.2 %,頂板斷裂、冒落現(xiàn)象減少,巷道掘進(jìn)速率提高至7.4 m/d,保證了巷道快速且安全掘進(jìn)。

      5 結(jié)論

      本文針對四老溝煤礦5119巷在高應(yīng)力區(qū)時支護(hù)方面遇到的實(shí)際問題,制定了針對性的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)和參數(shù),并提出了防止頂板事故的措施?,F(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐表明,這些方案能夠有效增強(qiáng)高應(yīng)力區(qū)支護(hù)能力,頂板蠕動變形速率和下沉量降低,頂?shù)装宓南鄬σ平繙p小,使頂板事故大大降低,巷道掘進(jìn)速率提高,礦井安全生產(chǎn)得到有力保障。

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