孤島工作面回采巷道錨桿控制技術(shù)

1、!60!(第42卷第1期)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁技術(shù)!創(chuàng)新孤島工作面回采巷道錨桿控制技術(shù)張科學(xué),馮江兵,路希偉,景續(xù)武,劉洪林,王祥濤,陳󰀁旅22234(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州221008;2.河南煤業(yè)化工集團(tuán)鑫龍煤業(yè)紅嶺公司,河南安陽455141;3.河南煤業(yè)化工集團(tuán)鶴煤公司三礦,河南鶴壁458000;4.義馬煤業(yè)集團(tuán)瓦斯研究所,河南義馬472300)摘󰀁要

2、:為研究孤島工作面回采巷道錨桿控制技術(shù),通過對原控制技術(shù)下巷道變形破壞機(jī)理進(jìn)行分析,并結(jié)合錨桿控制技術(shù)原理,認(rèn)為錨桿支護(hù)形成的錨固承載體對其外部圍巖有支承和讓壓作用,提出高預(yù)緊力高支護(hù)強(qiáng)度加強(qiáng)支護(hù)的錨桿控制技術(shù),并與原控制技術(shù)在數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測、經(jīng)濟(jì)效益3個方面進(jìn)行比較,得出錨桿控制技術(shù)是一種行之有效的支護(hù)方式。關(guān)鍵詞:孤島工作面;回采巷道;錨桿;高預(yù)緊力;控制技術(shù)中圖分類號:TD353.6󰀁󰀁󰀁文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B󰀁󰀁󰀁文章編號:1003-496X(2011)01-0060-04󰀁&#

3、983041;孤島工作面回采巷道是沿空巷道中的一種,有著其獨(dú)特的開采條件,在準(zhǔn)備和回采過程中,巷道壓力顯現(xiàn)非常明顯,給安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此,進(jìn)行孤島工作面回采巷道錨桿控制技術(shù)研究并采用高預(yù)緊力、高支護(hù)強(qiáng)度和加強(qiáng)支護(hù)的錨桿控制技術(shù),對控制巷道圍巖穩(wěn)定和礦山壓力顯現(xiàn)帶來的危害,實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)將起到?jīng)Q定性作用。1󰀁工程概況試驗(yàn)巷道為河南某礦15141上巷,其位于二1煤層,該煤層傾角在8󰀂21󰀂之間,厚度5.007.00m,平均厚度6.00m。15141上巷沿煤層底板掘進(jìn),底板標(biāo)高-351.5m,埋深636m。頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,自中部

4、向西南邊界粒度逐漸增大,為粉砂巖、砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖,厚度變化較大,厚0.5622.19m,一般為210m;底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,局部為砂巖和炭質(zhì)泥巖。15141工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高全部垮落法開采技術(shù),采3m,放3m,工作面長約150m。該綜放工作面位于 采區(qū)北翼中部,西部為15121工作面南部以 皮帶下山煤柱為界;北部以該礦邊界保安煤柱為界,屬于孤島工作面,工作面位置見圖1。圖1󰀁15141工作面布置示意圖+2󰀁原控制技術(shù)方案15141工作面上巷設(shè)計(jì)長度575m,服務(wù)年限2a,作為15141工作面回風(fēng)、運(yùn)料、行人、敷設(shè)管線等用途。

5、原控制技術(shù)方案采用U型鋼支護(hù)。2.1󰀁巷道主要支護(hù)參數(shù)󰀁󰀁巷道采用鉆眼爆破法掘進(jìn),使用LZUQ掘進(jìn)工作面連鎖式前探梁為臨時支護(hù)。原支護(hù)斷面為曲腿三心拱形,如圖2。巷道掘進(jìn)凈寬4.0m,凈高3.0m,基礎(chǔ)0.2m,支架設(shè)計(jì)允許的放大量和最大可縮量為300mm;支#架材質(zhì)為29礦用U型鋼;棚距0.7m;U型鋼之間用鋼件固定連接,固定連接件為3道,頂部1道,兩幫各1道。要求U型鋼卡箍螺絲必須擰緊,并達(dá)到-1規(guī)定要求值(力距200250N!m),U型鋼搭接為400mm,卡箍間距為200mm,U型鋼上部和周圍基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(507740

6、77);煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目(SKLCRSM08X04);全國博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(200760);教育部新世紀(jì)-技術(shù)!創(chuàng)新󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(2011-01)!61!由于巷道沿二1煤層底板掘進(jìn),頂部尚有3m左右的煤層,直接頂為易破碎冒落的泥巖和砂質(zhì)泥巖,平均厚度5.32m,形成復(fù)合頂板,并且不穩(wěn)定煤巖復(fù)合頂厚度達(dá)8.32m,維護(hù)條件差。3.2󰀁巷道圍巖賦存狀態(tài)復(fù)雜由于相鄰的

7、15121綜放工作面和15161綜放工作面均為采空區(qū),煤層開采引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布,不僅在回采空間周圍的煤柱上造成應(yīng)力集中,而且該應(yīng)力將向底板巖層深部傳遞,造成布置在底板巖層或煤層中的巷道變形急劇增大1-2%,尤其是采空區(qū)側(cè)向支承壓力的作用以及F505斷層的影響,巷道圍巖變形加劇,承載結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重影響,巷道維護(hù)困難。圖2󰀁U型鋼支護(hù)巷道斷面圖3.3󰀁構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜從整個該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力推測可知,該礦區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力及其復(fù)雜。在燕山早期,該礦區(qū)以NEE-SWW向擠壓為主,在燕山晚期,該礦區(qū)以NNW-SSE向拉伸為主3%必須用金屬網(wǎng)罩嚴(yán),金屬網(wǎng)用背木背緊,金

8、屬網(wǎng)搭接100mm,并用14鐵絲連接牢固。對于底板較軟的地段,必須穿柱鞋,柱鞋規(guī)格為500mm#200mm#150mm。2.2󰀁支護(hù)效果采用U型鋼支護(hù)后,在掘進(jìn)期間實(shí)際支護(hù)巷道U型鋼出現(xiàn)嚴(yán)重偏向一側(cè)變形、支架折損、底鼓嚴(yán)重等現(xiàn)象,實(shí)際U型鋼支護(hù)巷道長度為305m。使用木點(diǎn)柱加強(qiáng)支護(hù)的同時,設(shè)置了3個測站,對巷道圍巖表面位移進(jìn)行監(jiān)測,主要監(jiān)測頂?shù)装逡平?、底鼓量、兩幫移近?具體巷道圍巖變形量如圖3。#,加之15141上巷的西部有F505斷層的影響,故復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力對15141上巷的維護(hù)存在一定程度的影響。3.4󰀁采動影響強(qiáng)烈15141上巷沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn),其破碎

9、區(qū)及塑性區(qū)較大,巷道周圍煤體強(qiáng)度更小,此外本工作面回采產(chǎn)生的動壓較大程度地影響巷道圍巖的穩(wěn)定,因而巷道維護(hù)難度大。3.5󰀁被動支護(hù)方式15141上巷采用的支護(hù)方式為U型鋼支護(hù),屬于被動支護(hù),基本不具有初阻力,只是在圍巖變形后,隨著圍巖變形的增加,支架支護(hù)阻力隨之增加,無法適應(yīng)圍巖的強(qiáng)烈變形,造成巷道圍巖的結(jié)構(gòu)性破壞,從而使整個巷道的圍巖穩(wěn)定性急劇降低,致使巷道變形破壞。采用主動支護(hù)的錨桿控制技術(shù)具有十分迫切的需要。圖3󰀁掘進(jìn)期間U型鋼巷道圍巖變形4󰀁錨桿控制技術(shù)原理根據(jù)前述U型鋼支護(hù)巷道變形破壞機(jī)理分析󰀁󰀁巷道圍巖

10、變形量相對較大,斷面收斂速度相對較快,支護(hù)效果不理想,存在嚴(yán)重安全隱患,雖然采取了打設(shè)木點(diǎn)柱作為加強(qiáng)支護(hù),但當(dāng)巷道斷面達(dá)不到安全要求時,掘進(jìn)工作停止施工,對變形嚴(yán)重巷道進(jìn)行整修。3󰀁U型鋼支護(hù)巷道變形破壞機(jī)理3.認(rèn)為,孤島工作面回采巷道采用U型鋼支護(hù),顯然支護(hù)效果不理想,并且前掘后修,嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度和采掘接替。采用合理的錨桿支護(hù)控制技術(shù),可以改變孤島工作面回采巷道淺部圍巖應(yīng)力分布和位移特征,提高圍巖主動承載能力,控制巷道圍巖變形,保持巷道圍巖穩(wěn)定。錨桿支護(hù)巷道的穩(wěn)定性依賴于錨桿及其附件與!62!過該結(jié)構(gòu)良好的承載性能和其對外部圍巖變形的適應(yīng)性,使較深部圍巖發(fā)揮自承能力。錨桿支

11、護(hù)形成的錨固承載體既具有較大的承載能力,對其外部圍巖可以起到支承作用,又對圍巖應(yīng)力具有良好的適應(yīng)性,對其外部圍巖起到讓壓作用。正是由于錨固承載體的這種特性才使其一方面可以控制圍巖的變形和錯動,另一方面還可以改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài),提高圍巖強(qiáng)度,增加圍巖抵抗變形的能力,從而保證控制整個巷道圍巖的穩(wěn)定性。5󰀁錨桿控制技術(shù)方案5.1󰀁控制技術(shù)(1)高預(yù)緊力。錨桿的高預(yù)緊力對控制孤島工作面回采巷道圍巖變形有至關(guān)重要的作用,可使錨桿成為真正意義上的主動支護(hù),主動使掘巷后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化,從此意義上說,只有施加了一定預(yù)緊力的錨桿才是嚴(yán)格意義上的主動支護(hù)方式。高預(yù)

12、緊力還可以提高錨桿的錨固作用效果,實(shí)現(xiàn)巷道圍巖錨固承載體的高阻讓壓。考慮到現(xiàn)有的錨桿支護(hù)技術(shù)條件和孤島工作面回采巷道圍巖變形特點(diǎn),認(rèn)為錨桿的預(yù)緊力在1530kN時,不但可控制掘進(jìn)期間圍巖變形,也能有效控制工作面回采期間圍巖變形。(2)高支護(hù)強(qiáng)度。從目前我國錨桿支護(hù)強(qiáng)度的現(xiàn)狀來看,支護(hù)設(shè)計(jì)時的錨桿支護(hù)強(qiáng)度多在0.10.15MPa,而實(shí)際上錨桿的支護(hù)強(qiáng)度卻更低,一般均在0.05MPa左右,這很難有效地控制巷道圍巖變形4-5%(第42卷第1期)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁𘀀

13、1;󰀁技術(shù)!創(chuàng)新方式。15141上巷頂板為不穩(wěn)定煤巖復(fù)合頂板,所以采用小孔徑錨索加固非常必要,可防止錨固體外煤體發(fā)生較大離層,達(dá)到一定程度時發(fā)生頂板垮落的現(xiàn)象,故錨索長度選擇8.0m,直徑為󰀁18.9mm。在工作面前方30m左右采用打木點(diǎn)柱的措施作為超前支護(hù)。5.2󰀁巷道主要支護(hù)參數(shù)采用有限差分計(jì)算機(jī)程序FlAC進(jìn)行數(shù)值模擬分析,根據(jù)提供的鉆孔柱狀圖,建立15141上巷物理模型,模型長#寬為305m#100m。模型中順槽所在煤層劃分0.5m#0.5m的塊體;直接頂為砂質(zhì)泥巖,劃分為0.5m#0.5m的塊體;直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖互層,劃分為0.5

14、m#0.5m的塊體,其它部分劃分為0.5m#0.5m的塊體。模型上部邊界施加壓力使其等同于上覆巖層的重量,底邊界垂直方向固定,左右邊界水平方向的水平力固定。物理模型如圖4。圖4󰀁物理模型圖。錨桿錨固區(qū)內(nèi)的煤體多處于峰后強(qiáng)度和殘󰀁󰀁研究結(jié)果表明,15141上巷錨桿主要支護(hù)參數(shù)為:支護(hù)斷面為矩形斷面,寬度3.7m,高度2.8m,掘進(jìn)斷面10.36m;錨桿長度2.4m,直徑20mm,頂間排距850mm#600mm,幫間排距800mm#600mm;錨索長度8m,直徑為󰀁18.9mm,間排距1600mm#1200mm。錨桿支護(hù)巷道斷面圖如圖

15、5。錨桿支護(hù)實(shí)際長度為270m。5.3󰀁支護(hù)效果比較通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測、經(jīng)濟(jì)效益3個方面對15141上巷的控制技術(shù)進(jìn)行比較,確定最佳控制技術(shù)。(1)數(shù)值模擬。原控制技術(shù)方案和錨桿控制技術(shù)方案數(shù)值模擬計(jì)算下掘進(jìn)期間和回采期間巷道變形量見表1,分析可知錨桿控制技術(shù)顯著優(yōu)于U型鋼控制技術(shù)。󰀁󰀁(2)現(xiàn)場監(jiān)測。為了觀測錨桿支護(hù)對巷道圍巖,2余強(qiáng)度階段,其對支護(hù)強(qiáng)度的反映相當(dāng)敏感,較小的支護(hù)強(qiáng)度增加,就能使其極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度得到較大提高。較大的支護(hù)強(qiáng)度對改善圍巖的力學(xué)性質(zhì)是極為有利的。高支護(hù)強(qiáng)度要求錨桿的力學(xué)特性、直徑、長度、錨固長度、輔助支護(hù)措施等

16、形成一種配套體系,使巷道圍巖錨固承載體在結(jié)構(gòu)上穩(wěn)定,從而更好的控制巷道圍巖變形。結(jié)合15141上巷圍巖特點(diǎn)采用如下高支護(hù)強(qiáng)度配套體系:錨桿采用材質(zhì)為20MnS、i直徑為󰀁20mm、長度為2.4m的左旋無縱筋螺紋鋼,且用加長錨固,并以托板、螺帽、菱形網(wǎng)、鋼筋梯子梁等為輔助支護(hù)措施。(3)加強(qiáng)支護(hù)。采用高預(yù)緊力和高支護(hù)強(qiáng)度配套體系從理論上可以實(shí)現(xiàn),但在一些圍巖狀況惡劣,或者錨桿支護(hù)施工質(zhì)量較差的情況下,基本的支護(hù)形式不能完全保證錨桿支護(hù)強(qiáng)度時,可采用小孔徑技術(shù)!創(chuàng)新󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁ϗ

17、041;󰀁󰀁󰀁(2011-01)!63!移近量平均為58mm;錨桿支護(hù)巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量都明顯小于U型鋼支護(hù)巷道,且巷道圍巖變形量小,錨桿支護(hù)效果好。󰀁󰀁(3)經(jīng)濟(jì)效益。孤島工作面回采巷道采用錨桿控制技術(shù)與U型鋼控制技術(shù)相比,經(jīng)濟(jì)效益可主要?dú)w結(jié)為以下2點(diǎn):&支護(hù)成本低,每米巷道可節(jié)省支護(hù)材料費(fèi)用2699.58元;維護(hù)成本低,采用錨桿支護(hù)后,大大減少了維護(hù)工序節(jié)約了支護(hù)材料,降低了維護(hù)成本,初步計(jì)算每米節(jié)約維護(hù)成本為880元,由此可見,使用錨桿控制技術(shù)方案取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。6󰀁結(jié)

18、󰀁論(1)孤島工作面回采巷道錨桿支護(hù)形成的錨固承載體對其外部圍巖既有支承作用,又有讓壓作用。󰀁󰀁(2)高預(yù)緊力、高支護(hù)強(qiáng)度和加強(qiáng)支護(hù)是錨桿支護(hù)技術(shù)中控制孤島工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定的3圖5󰀁錨桿支護(hù)巷道斷面圖表1󰀁巷道變形量頂板下沉量/mm掘進(jìn)期間(原)掘進(jìn)期間(控)回采期間(原)回采期間(控)174631253464底鼓量/mm9225645208兩幫移近量/mm126551368539個極為關(guān)鍵技術(shù)。(3)孤島工作面回采巷道采用錨桿控制技術(shù)是一種行之有效的支護(hù)方式,其克服了傳統(tǒng)的U型鋼支護(hù)圍巖變形嚴(yán)重、底鼓量大、前掘后修的缺點(diǎn),大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度,掘進(jìn)施工速度快,支護(hù)成本低,在同類的支護(hù)巷道中具有推廣應(yīng)用的價值。參考文獻(xiàn):進(jìn)過程中對錨桿支護(hù)段設(shè)置了3個測站,對巷道圍巖表面位移進(jìn)行監(jiān)測,主要監(jiān)測頂?shù)装逡平?