錨桿支護(hù)技術(shù)在高含水期綜采工作面的應(yīng)用

錨桿支護(hù)技術(shù)在高含水期綜采工作面的應(yīng)用

近年來，我國(guó)長(zhǎng)距離道路橋梁維護(hù)技術(shù)有所增加，并在一定程度上取得了成果。晉城礦區(qū)的錨桿支護(hù)主要應(yīng)用于煤巷、大斷面、構(gòu)造區(qū)域、軟煤區(qū)和巷道交岔點(diǎn)等，但在XV號(hào)煤堅(jiān)強(qiáng)頂板條件下還不曾應(yīng)用。2008年，由長(zhǎng)平公司與北京天地公司共同研究試驗(yàn)的“錨·索·帶·網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，首次在XV號(hào)煤堅(jiān)強(qiáng)頂板條件下得到了成功應(yīng)用，為XV號(hào)煤層后期回采的堅(jiān)強(qiáng)頂板處理奠定了基礎(chǔ)。1xv號(hào)煤層特性王臺(tái)礦井開采的XV號(hào)煤層為三水平煤層，煤層傾角為1°～6°，平均厚度2.5m，煤層中部含1～3層夾矸。XV號(hào)煤層偽頂為泥巖或炭質(zhì)泥巖，平均厚度0.3m，平均抗壓強(qiáng)度為25MPa左右。該偽頂厚度極不穩(wěn)定，暴露于空氣中易風(fēng)化。直接頂為K1石灰?guī)r，從巷道揭露情況看，其在淺部巖性變化較大，局部地段相變?yōu)槟鄮r、砂質(zhì)泥巖或砂巖，平均厚度9.32m，致密堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，單向抗壓強(qiáng)度平均127.57MPa，單向抗拉強(qiáng)度平均7.56MPa；抗剪強(qiáng)度平均16.11MPa，屬堅(jiān)硬性頂板；底板為泥巖和鋁質(zhì)泥巖，平均厚度為1.62m，底板比壓40.82MPa，吸水性強(qiáng)，遇水極易膨脹。XV號(hào)煤層最大、最小水平主應(yīng)力分別為7.90.5MPa和7.13MPa，且最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼?。XV號(hào)煤幫強(qiáng)度在上部抗壓強(qiáng)度較大，煤層較硬，中間部分煤層抗壓強(qiáng)度較小，煤層較軟，煤幫強(qiáng)度隨幫孔深增加而有所增加，煤幫表面煤體易風(fēng)化片幫。XV號(hào)煤頂板完整性較好，在巖層與巖層交界面處基本無離層現(xiàn)象，局部巖層有節(jié)理、裂隙等小構(gòu)造，主要構(gòu)造是一組走向呈近南北向的寬緩褶皺構(gòu)造，對(duì)煤層破壞程度較?。籜V號(hào)煤層主要充水因素為煤層上覆K2、K5含水層水及上覆III號(hào)和IX號(hào)煤采空區(qū)低洼積水，預(yù)計(jì)最大涌水量0.17m3/min。本井田內(nèi)XV號(hào)煤層采用走向長(zhǎng)壁一次采全高后退式綜合機(jī)械化采煤法進(jìn)行回采，綜采工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)度為180m，走向長(zhǎng)為1000m～1800m，工作面采用“三巷”布置形式，“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式。2高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)王臺(tái)礦井在IX號(hào)煤層巷道曾先后應(yīng)用過單體低錨固力錨桿支護(hù)或錨噴聯(lián)合支護(hù)及高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)，其中在早期的低錨固力錨桿支護(hù)系統(tǒng)中主要采用d16mm×1600mm樹脂錨桿或d45mm×1600mm管縫錨桿進(jìn)行支護(hù)，設(shè)計(jì)錨桿間排距為600mm～800mm，錨固力為40kN。但由于早期錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理論的不成熟和監(jiān)測(cè)手段的局限性，支護(hù)效果不太理想，曾發(fā)生過幾起程度不同的小型冒頂事故。2001年我們與北京天地公司以及晉煤集團(tuán)技術(shù)中心合作，在IX號(hào)煤西翼北部Ⅸ2340工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行了高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)的研究試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)段巷道為矩形，凈寬3.2m，凈高2.3m，試驗(yàn)區(qū)段長(zhǎng)度為1100m。試驗(yàn)區(qū)段巷道在掘進(jìn)及工作面回采時(shí)的礦壓觀測(cè)表明，巷道在掘進(jìn)和回采期的頂板下沉量、兩幫移近量以及錨桿受力狀況均在巷道圍巖的彈性變形釋放范圍內(nèi)，高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)能有效控制IX號(hào)煤頂板變形及處于錨固范圍外軟巖層的破壞和巖層交界面處的離層。該支護(hù)系統(tǒng)完全適應(yīng)于IX號(hào)煤層賦存條件，隨后高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在IX號(hào)煤準(zhǔn)備和回采巷道、巷道交岔點(diǎn)及構(gòu)造帶等均得到了廣泛應(yīng)用。3支護(hù)方案確定參照IX號(hào)煤層高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)試驗(yàn)成功的經(jīng)驗(yàn)，我們采用了包括試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)和信息反饋、修正設(shè)計(jì)和日常監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法，根據(jù)XV號(hào)煤圍巖參數(shù)、XV號(hào)煤地質(zhì)條件和工作面液壓支架等設(shè)備尺寸，并綜合考慮設(shè)備安裝、通風(fēng)、巷道圍巖變形預(yù)留量等情況，確定出了XV號(hào)煤堅(jiān)硬頂板條件的巷道支護(hù)初始設(shè)計(jì)，經(jīng)過XV號(hào)煤首采工作面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、日常監(jiān)測(cè)并結(jié)合巷道揭露情況，對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行了修正和優(yōu)化，形成了適合XV號(hào)煤堅(jiān)硬頂板條件的切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方式，其具體支護(hù)方案為：順槽和切眼斷面形狀均為矩形，其中順槽巷凈寬4.4m，凈高2.5m；切眼凈寬6.8m，凈高2.5m。其支護(hù)均采用“樹脂加長(zhǎng)錨固錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，并進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)”的總體支護(hù)方案。順槽巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，工作面切眼錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，順槽支護(hù)斷面見圖1，切眼支護(hù)斷面見圖2。4做好錨桿支護(hù)質(zhì)量“終身負(fù)責(zé)制”工作面迎頭及時(shí)安設(shè)頂板離層指示儀，保證巷道每30m～50m安設(shè)一個(gè)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)已掘巷道內(nèi)頂板深部和淺部離層值，一旦出現(xiàn)離層值超過20mm要采取補(bǔ)打錨索、套單體柱混合棚等加強(qiáng)支護(hù)措施，確保巷道施工安全。對(duì)已掘巷道在機(jī)組轉(zhuǎn)載機(jī)后中部位置每10m打一根d200mm×2600mm的紅松圓木作為信號(hào)柱，防止頂板出現(xiàn)大范圍離層和局部冒頂。實(shí)行錨桿支護(hù)質(zhì)量“終身負(fù)責(zé)制”，對(duì)每班所施工頂幫錨桿和錨索進(jìn)行編號(hào)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題逐級(jí)落實(shí)到班組和個(gè)人。同時(shí)，為了保證施工質(zhì)量，每班按不小于10%的比例對(duì)錨桿錨固力和預(yù)緊力矩進(jìn)行抽檢，發(fā)現(xiàn)不合格錨桿，必須在當(dāng)班處理合格。定期進(jìn)行井下錨桿錨固力拉拔試驗(yàn)，每次數(shù)量不少于3根。如果發(fā)現(xiàn)錨桿實(shí)際錨固力與設(shè)計(jì)值相差較大，須對(duì)錨固參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修改。巷道內(nèi)除安設(shè)頂板離層指示儀外，另外再設(shè)置至少2個(gè)綜合監(jiān)測(cè)站，對(duì)巷道表面位移、錨桿受力以及巷道破壞狀況進(jìn)行詳細(xì)的觀測(cè)。5錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)選從對(duì)已掘巷道所安設(shè)的頂板離層儀及綜合測(cè)站礦壓觀測(cè)結(jié)果看，采用“錨·索·帶”聯(lián)合支護(hù)的XV號(hào)煤巷道其在掘進(jìn)和回采期內(nèi)頂板離層值均小于10mm，在安全范圍之內(nèi)，完全符合設(shè)計(jì)要求，說明高強(qiáng)度錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)方案參數(shù)選擇合理，能夠有效改善圍巖力學(xué)性質(zhì)，控制巷道在掘進(jìn)、回采以及相鄰工作面回采動(dòng)壓影響時(shí)圍巖變形量，為XV號(hào)煤堅(jiān)硬頂板條件下含隱性節(jié)理裂隙等構(gòu)造巷道錨桿支護(hù)提供了有效途徑，積累了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。6效率分析王臺(tái)礦區(qū)XV號(hào)煤層堅(jiān)強(qiáng)頂板條件下高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)的成功應(yīng)用，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都十分顯著。6.1節(jié)約支護(hù)成本(1）高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)的成功應(yīng)用，降低了巷道的支護(hù)成本費(fèi)用。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在綜合考慮巷道維護(hù)費(fèi)用、初期投入及后期復(fù)用、材料加工、輔助運(yùn)輸?shù)纫蛩?，采用高?qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)比金屬棚支護(hù)巷道節(jié)約支護(hù)成本費(fèi)用約244.748元/m。高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)試驗(yàn)獲得成功后，可將該支護(hù)技術(shù)應(yīng)用在XV號(hào)煤其他巷道中，若按每年XV號(hào)煤10000m掘進(jìn)進(jìn)尺計(jì)算，則每年可減少支護(hù)成本費(fèi)用244.748萬元。(2）采用“錨·索·帶”支護(hù)的工作面，簡(jiǎn)化了工作面安裝和后期回采端頭端尾工序，有利于綜采工作面的快速推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。6.2高強(qiáng)錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(1）高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在王臺(tái)礦井XV號(hào)煤堅(jiān)硬頂板條件下的成功應(yīng)用，填補(bǔ)了集團(tuán)公司XV號(hào)煤巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的一項(xiàng)空白，為XV號(hào)煤的大斷面和交岔點(diǎn)巷道支護(hù)提供了經(jīng)驗(yàn)，有利于巷道頂板管理，具有極大的示范作用和推廣應(yīng)用價(jià)值。(2)XV號(hào)煤層堅(jiān)硬頂板高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)有效提高了巷道圍巖自身的承載能力，變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，能有效地控制圍巖的變形，特別是能減少頂板早期離層，改善了錨桿支護(hù)效果，減少了后期巷道維護(hù)量，提高了巷道的安全可靠性。(3）高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)實(shí)觀了錨桿支護(hù)、攪拌、安裝一體化流水作業(yè)，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工人作業(yè)環(huán)鏡，為后期采用“雙巷”掘進(jìn)和“掘支一體化”施工工藝創(chuàng)造了較為有利的外部條件。(4）采用高強(qiáng)度錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)的巷道可利用空間明顯增大，減小了通風(fēng)阻力，有利于工作面的配風(fēng)，既可以防止局部瓦斯聚集