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摘要:孤岛工作面软岩巷道,由于受空区采动影响,支架受压比原始应力高数倍、数十倍甚至更高,致使巷道破坏和收敛十分严重,对工作面前期的正常掘进以及后期回采影响极大。文章针对软岩巷道掘进期间矿山压力治理以及不同条件下的交岔点支护工艺和支护材料的选择上进行了深入的研究和探索,总结出了一套较好的办法,为类似条件下的软岩巷道掘进提供了技术保障。
关键词:软岩;巷道应力治理;锚杆加固;支护方案;效益分析
中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)12-0135-03
一、项目背景
郑煤集团米村煤矿井田面积13.4平方公里,主要开采山西组二叠系二1煤层,现生产能力150万吨/年,已处于矿井回采后期,井下所布置工作面多为孤岛工作面,受空区采动影响,容易形成叠加集中应力,煤层受到较高的地应力作用,其完整性已全部受到破坏,产生很多裂隙,矿山压力显现明显,原采用29#12m2U型钢支架,变形量剧烈,巷道掘进数天内已不能满足正常使用,为安全生产带来极大的不便。
二、技术路线及方案实施
(一)优化交岔点汇集处的支护方案
260071上车场利用原260061下车场进行施工,交岔点处汇集四个“十字头”,压力层层叠加,既要保证巷道使用断面,又要确保使用时间,因此支护难度非常大,如图1所示:
1.暗抬门支护。
(1)支护原理。原煤巷支护形式主要采用29#12m2U型钢支护,巷道交岔点根据设计位置改变支护形式采用12#工字钢3.5×3.0m(梁×柱),在靠支巷一侧架“一捻三”工字钢抬门棚,另一侧架工字钢戗棚,摘除支巷一侧的柱腿。巷道使用过程中出现以下问题:1)支架稳定性差,工字钢梁柱弯曲变形,抬门棚梁翻、梁柱错口,巷道使用年限短,维修量大;2)交岔点处有效断面小,影响矿井运输、通风、行人、排水、管线铺设,不利于安全生产。
(2)根据现有的支护形式,通过增大主巷工字钢长度,使抬门棚柱腿架在主巷工字钢梁的后身,靠梁齿外侧,紧贴煤壁抬门,提高支架抗侧压力,增大巷道的断面。1)工字钢规格:靠U型钢过渡棚工字钢的规格决定交叉点的断面,若一侧开口需摘柱腿的工字钢梁净裆等于过渡棚工字钢梁净裆长加上工字钢一侧的下扎宽度再加上工字钢的厚度,需摘柱腿一侧的梁齿与工字钢梁的夹角为85°,梁齿外加长450mm,两侧梁齿内侧加焊100×50×50mm(长×宽×高)的三角肋板。此交叉点过渡棚工字钢的规格为3.8×3.5m工字钢,需摘柱腿工字钢规格为4.6×3.5m。其特制工字钢结构如图2所示。2)施工工艺。在原260061下车场采用4.6×3.5m工字钢架8棚,采用4.0×3.5m工字钢“一捻五”抬门,靠4.6m工字钢架3棚3.8×3.5m工字钢,将中线、三角线捻正后,架2棚3.8×3.5m工字钢,向前变为4.6×3.5m工字钢架9棚,然后架6棚3.8×3.5m工字钢,面向施工方向左帮使齐,过渡棚与特制工字钢之间棚距必须达到0.6m,无极绳绞车房帮靠梁齿内侧采用4.5×3.5m工字钢“一捻三”抬门,下付巷开口帮采用4.5×3.5m工字钢“一捻五”抬门,回风联眼帮采用3.5m工字钢两根联锁,根据皮带铺设需要摘腿。3)为增加支架的整体稳定性,抬门梁腿各安装三道(450×500×10mm)铁夹板。
图2
2.锚索加固。
(1)加固机理。为保证交叉点使用效果,增強十头抗压能力,对整个“十字头”进行打锚索喷浆,锚杆在层状顶板中具有将“叠合梁”转化为“组合梁”的功能,软弱围岩中锚杆的“压缩拱”功能等。锚杆的锚固作用体现为径向和切向锚固力的作用。径向锚固力与普通框式支护所提供的支护力类似,都是对围岩施加围压,将围岩由单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态,提高围岩的稳定性。围岩体的变形大多是从岩体中的弱面开始的,在围压的作用下,围岩沿着弱面滑动或张开,最终导致巷道断面的收缩,由于锚杆杆体贯穿弱面,它限制围岩沿弱面的滑动和张开,这种限制力称为切向锚固力。切向锚固力改善了弱面的力学性质,从而改善了围岩的力学性质。因此锚杆是兼有支护与加固两种作用的较完美的支护形式。
利用锚索将被动支护悬吊在基本顶上,通过对锚索增加要求的预应力,提高主动支护效果,但锚索预应力在平面上的影响范围是有限的,通过安装托梁,不但减小了锚索的密度,而且能有效的控制破碎顶板和高地应力情况下的巷道变形,锚索采用Φ15.2×6000mm1860级低松弛钢绞线,端部锚固采用两根CK2390树脂药卷,预应力不低于120kN,锚固力不低于180kN,托梁采用12#工字钢,长2.6m,锚索孔距托梁两端300mm。
(2)锚索施工。采用MQT-85型风动钻机靠两边第一棚工字钢梁内侧距帮1m垂直巷道轴线打眼,钻孔末端保证钻进直接顶2m,锚索孔吹洗干净,然后按托梁锚索孔设计距离打另一个眼,安装时,保证工字钢托梁锚索孔外侧各担着一对工字钢,锚索头外钢绞线余120mm,预防锚索头失效,可重新锚索。
(3)锚杆加固。采用MQT-85型风动钻机靠两边第一棚L型梁内侧距帮1m垂直巷道轴线打眼,钻孔末端保证钻进直接顶2m,锚索孔吹洗干净,然后按托梁锚索孔设计距离打另一个眼,安装时,保证工字钢托梁锚索孔外侧各担着一根L型梁,锚索头外钢绞线余120mm,预防锚索头失效,可重新锚索。
二、优化巷道掘进支护方案
260071工作面位于-150水平26扩大区,东部邻26扩大区皮带巷、轨道巷,南部及西部为已回采的26071工作面,与26071工作面净煤柱2.0m,北部为已回采过的原260061综采工作面,净煤柱2.0m,为典型的孤岛工作面,巷道侧压显现明显,底臌现象严重,两帮收敛剧烈,掘进数天后巷道已不能满足正常生产需要。
(一)支护方案的确定
根据地质生产条件以及外部环境,影响260071工作面正常掘进的地质因素主要包括以下几个方面:(1)受回采动压影响比较明显;(2)工作面地质构造条件相对较复杂,断裂、褶皱构造发育,且局部煤底板起伏变化明显;(3)原巷道支护设计棚距为0.6m,棚距较大,支护强度不够。结合以上分析,对支护方案采取优化措施如下:
1.采用加大帮扎角度的新U型钢可缩性支架支护,如图3所示:
2.小棚距配合4道工字钢联锁对巷道进行加强支护。为强化U型钢支架整体稳定性,将原0.6m棚距改为小棚距0.4m,帮顶采用4道2.6m工字钢联锁,即:U型钢腿尖向下1.5～1.6m处,腿尖向上0.2～0.3m处,工字钢之间搭接为0.3m。
3.提前进行煤体卸压。掘进工作面压力集中点在掘进前方5～6m,通过提前打钻孔,让压力向前运动,减少工作面压力集中的问题,钻孔数4个,钻孔水平间距0.8m,垂直间距1.0m,在每班施工前进行,采用气动式钻机配合1.0m麻花钻杆进行打眼卸压。
(二)支护方案优化前后对比
支护方案优化前后,对U型钢支护巷道进行了为期3个月的观察,并设置帮顶位移监测点,进行矿压观测,观测结果表明:优化前一个月内巷道顶帮变形量较大,垂直变形量和水平变形量最大分别为:0.54m和1.32m;优化后第一个月巷道顶帮变形量明显变小,第二个月巷道压力已趋于平衡,支架基本没有发生变形,垂直变形量和水平变形量最大分别为:0.18m和0.21m,均属于正常变形量(见表1、表2、表3)。
表1 优化前上下付巷帮顶位移量监测表
时间(天) 顶底板移近量 两帮收殓量
10 0.32 0.94
20 0.38 1.06
30 0.54 1.32
表2 优化后上下付巷帮顶位移量监测表
时间(天) 頂底板移近量 两帮收殓量
40 0.08 0.12
50 0.16 0.16
60 0.16 0.18
表3 优化后上下付巷帮顶位移量监测表
时间(天) 顶底板移近量 两帮收殓量
70 0.18 0.21
80 0.18 0.22
90 0.18 0.22
三、社会经济效益
(一)经济效益分析
1.260071上下付巷单纯采用29#12㎡棚子支护时,在工作面贯通后,上、下付巷700m巷道仍需要扩修,经采取措施综合治理后,支护效果比较理想,可保证巷道服务到采煤工作面结束,经济效益显著:260071上下付巷扩修投入的各项费用5737.25元/m。见表4:
表4 扩修材料消耗明细
材料名称 规格型号 单位 单价 每米数量 每米单价(元) 备注
U型钢支加 29U12m2 架 2100 2.5 3675
椽子 0.65*0.05m 根 2.3 80 184
塑料网 0.65*10m 卷 56 2.5 140
竹笆 1*0.5m 块 1.77 30 53
卡缆 29U 套 63 15 661.5 6套/架
拉杆 套 37 12.5 323.75 5套/架
掘进队限额材料及配件 300
机电运输通风等辅助单位材料费 400
合计 5737.25
每米人工费用1668元,集中压力综合治理后每米可节约各项费用7405.25元。260071上下付巷扩修工程量700米,可节约各项费用518.3675万元,经济效益显著。
(二)社会效益分析
1.目前,煤矿随着开采深度的增加,受水害影响越来越大,巷道工字钢交岔点在矿井发生水灾时,经常发生冒顶、塌落甚至堵人等事故,利用暗抬门支护技术并结合锚索支护技术能有效提高巷道交岔点综合抗灾能力,并在现有的支护形式的基础上保证了巷道服务年限、增大了巷道断面,更有利于矿井的运输、通风、行人,具有较强的实用性。
2.科学选择金属可缩性支架的参数,可以充分发挥支架的承载能力、减少维修费用、增加支架的使用次数。合理设计U型钢可缩性支架的结构,合理使用和维护支架,通过联锁加固,提高支架的整体稳定性,对矿井安全生产有重要意义。
3.提前将工作面压力集中区进行转移,缓解了直接对支架的承载能力,提高支架的使用效率。
4.随着各矿井向深部开采的发展,矿山压力显现更加剧烈,软岩巷道集中应力综合治理的成功,为类似条件下的软岩巷道掘进提供了技术保障。合
关键词:软岩;巷道应力治理;锚杆加固;支护方案;效益分析
中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)12-0135-03
一、项目背景
郑煤集团米村煤矿井田面积13.4平方公里,主要开采山西组二叠系二1煤层,现生产能力150万吨/年,已处于矿井回采后期,井下所布置工作面多为孤岛工作面,受空区采动影响,容易形成叠加集中应力,煤层受到较高的地应力作用,其完整性已全部受到破坏,产生很多裂隙,矿山压力显现明显,原采用29#12m2U型钢支架,变形量剧烈,巷道掘进数天内已不能满足正常使用,为安全生产带来极大的不便。
二、技术路线及方案实施
(一)优化交岔点汇集处的支护方案
260071上车场利用原260061下车场进行施工,交岔点处汇集四个“十字头”,压力层层叠加,既要保证巷道使用断面,又要确保使用时间,因此支护难度非常大,如图1所示:
1.暗抬门支护。
(1)支护原理。原煤巷支护形式主要采用29#12m2U型钢支护,巷道交岔点根据设计位置改变支护形式采用12#工字钢3.5×3.0m(梁×柱),在靠支巷一侧架“一捻三”工字钢抬门棚,另一侧架工字钢戗棚,摘除支巷一侧的柱腿。巷道使用过程中出现以下问题:1)支架稳定性差,工字钢梁柱弯曲变形,抬门棚梁翻、梁柱错口,巷道使用年限短,维修量大;2)交岔点处有效断面小,影响矿井运输、通风、行人、排水、管线铺设,不利于安全生产。
(2)根据现有的支护形式,通过增大主巷工字钢长度,使抬门棚柱腿架在主巷工字钢梁的后身,靠梁齿外侧,紧贴煤壁抬门,提高支架抗侧压力,增大巷道的断面。1)工字钢规格:靠U型钢过渡棚工字钢的规格决定交叉点的断面,若一侧开口需摘柱腿的工字钢梁净裆等于过渡棚工字钢梁净裆长加上工字钢一侧的下扎宽度再加上工字钢的厚度,需摘柱腿一侧的梁齿与工字钢梁的夹角为85°,梁齿外加长450mm,两侧梁齿内侧加焊100×50×50mm(长×宽×高)的三角肋板。此交叉点过渡棚工字钢的规格为3.8×3.5m工字钢,需摘柱腿工字钢规格为4.6×3.5m。其特制工字钢结构如图2所示。2)施工工艺。在原260061下车场采用4.6×3.5m工字钢架8棚,采用4.0×3.5m工字钢“一捻五”抬门,靠4.6m工字钢架3棚3.8×3.5m工字钢,将中线、三角线捻正后,架2棚3.8×3.5m工字钢,向前变为4.6×3.5m工字钢架9棚,然后架6棚3.8×3.5m工字钢,面向施工方向左帮使齐,过渡棚与特制工字钢之间棚距必须达到0.6m,无极绳绞车房帮靠梁齿内侧采用4.5×3.5m工字钢“一捻三”抬门,下付巷开口帮采用4.5×3.5m工字钢“一捻五”抬门,回风联眼帮采用3.5m工字钢两根联锁,根据皮带铺设需要摘腿。3)为增加支架的整体稳定性,抬门梁腿各安装三道(450×500×10mm)铁夹板。
图2
2.锚索加固。
(1)加固机理。为保证交叉点使用效果,增強十头抗压能力,对整个“十字头”进行打锚索喷浆,锚杆在层状顶板中具有将“叠合梁”转化为“组合梁”的功能,软弱围岩中锚杆的“压缩拱”功能等。锚杆的锚固作用体现为径向和切向锚固力的作用。径向锚固力与普通框式支护所提供的支护力类似,都是对围岩施加围压,将围岩由单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态,提高围岩的稳定性。围岩体的变形大多是从岩体中的弱面开始的,在围压的作用下,围岩沿着弱面滑动或张开,最终导致巷道断面的收缩,由于锚杆杆体贯穿弱面,它限制围岩沿弱面的滑动和张开,这种限制力称为切向锚固力。切向锚固力改善了弱面的力学性质,从而改善了围岩的力学性质。因此锚杆是兼有支护与加固两种作用的较完美的支护形式。
利用锚索将被动支护悬吊在基本顶上,通过对锚索增加要求的预应力,提高主动支护效果,但锚索预应力在平面上的影响范围是有限的,通过安装托梁,不但减小了锚索的密度,而且能有效的控制破碎顶板和高地应力情况下的巷道变形,锚索采用Φ15.2×6000mm1860级低松弛钢绞线,端部锚固采用两根CK2390树脂药卷,预应力不低于120kN,锚固力不低于180kN,托梁采用12#工字钢,长2.6m,锚索孔距托梁两端300mm。
(2)锚索施工。采用MQT-85型风动钻机靠两边第一棚工字钢梁内侧距帮1m垂直巷道轴线打眼,钻孔末端保证钻进直接顶2m,锚索孔吹洗干净,然后按托梁锚索孔设计距离打另一个眼,安装时,保证工字钢托梁锚索孔外侧各担着一对工字钢,锚索头外钢绞线余120mm,预防锚索头失效,可重新锚索。
(3)锚杆加固。采用MQT-85型风动钻机靠两边第一棚L型梁内侧距帮1m垂直巷道轴线打眼,钻孔末端保证钻进直接顶2m,锚索孔吹洗干净,然后按托梁锚索孔设计距离打另一个眼,安装时,保证工字钢托梁锚索孔外侧各担着一根L型梁,锚索头外钢绞线余120mm,预防锚索头失效,可重新锚索。
二、优化巷道掘进支护方案
260071工作面位于-150水平26扩大区,东部邻26扩大区皮带巷、轨道巷,南部及西部为已回采的26071工作面,与26071工作面净煤柱2.0m,北部为已回采过的原260061综采工作面,净煤柱2.0m,为典型的孤岛工作面,巷道侧压显现明显,底臌现象严重,两帮收敛剧烈,掘进数天后巷道已不能满足正常生产需要。
(一)支护方案的确定
根据地质生产条件以及外部环境,影响260071工作面正常掘进的地质因素主要包括以下几个方面:(1)受回采动压影响比较明显;(2)工作面地质构造条件相对较复杂,断裂、褶皱构造发育,且局部煤底板起伏变化明显;(3)原巷道支护设计棚距为0.6m,棚距较大,支护强度不够。结合以上分析,对支护方案采取优化措施如下:
1.采用加大帮扎角度的新U型钢可缩性支架支护,如图3所示:
2.小棚距配合4道工字钢联锁对巷道进行加强支护。为强化U型钢支架整体稳定性,将原0.6m棚距改为小棚距0.4m,帮顶采用4道2.6m工字钢联锁,即:U型钢腿尖向下1.5～1.6m处,腿尖向上0.2～0.3m处,工字钢之间搭接为0.3m。
3.提前进行煤体卸压。掘进工作面压力集中点在掘进前方5～6m,通过提前打钻孔,让压力向前运动,减少工作面压力集中的问题,钻孔数4个,钻孔水平间距0.8m,垂直间距1.0m,在每班施工前进行,采用气动式钻机配合1.0m麻花钻杆进行打眼卸压。
(二)支护方案优化前后对比
支护方案优化前后,对U型钢支护巷道进行了为期3个月的观察,并设置帮顶位移监测点,进行矿压观测,观测结果表明:优化前一个月内巷道顶帮变形量较大,垂直变形量和水平变形量最大分别为:0.54m和1.32m;优化后第一个月巷道顶帮变形量明显变小,第二个月巷道压力已趋于平衡,支架基本没有发生变形,垂直变形量和水平变形量最大分别为:0.18m和0.21m,均属于正常变形量(见表1、表2、表3)。
表1 优化前上下付巷帮顶位移量监测表
时间(天) 顶底板移近量 两帮收殓量
10 0.32 0.94
20 0.38 1.06
30 0.54 1.32
表2 优化后上下付巷帮顶位移量监测表
时间(天) 頂底板移近量 两帮收殓量
40 0.08 0.12
50 0.16 0.16
60 0.16 0.18
表3 优化后上下付巷帮顶位移量监测表
时间(天) 顶底板移近量 两帮收殓量
70 0.18 0.21
80 0.18 0.22
90 0.18 0.22
三、社会经济效益
(一)经济效益分析
1.260071上下付巷单纯采用29#12㎡棚子支护时,在工作面贯通后,上、下付巷700m巷道仍需要扩修,经采取措施综合治理后,支护效果比较理想,可保证巷道服务到采煤工作面结束,经济效益显著:260071上下付巷扩修投入的各项费用5737.25元/m。见表4:
表4 扩修材料消耗明细
材料名称 规格型号 单位 单价 每米数量 每米单价(元) 备注
U型钢支加 29U12m2 架 2100 2.5 3675
椽子 0.65*0.05m 根 2.3 80 184
塑料网 0.65*10m 卷 56 2.5 140
竹笆 1*0.5m 块 1.77 30 53
卡缆 29U 套 63 15 661.5 6套/架
拉杆 套 37 12.5 323.75 5套/架
掘进队限额材料及配件 300
机电运输通风等辅助单位材料费 400
合计 5737.25
每米人工费用1668元,集中压力综合治理后每米可节约各项费用7405.25元。260071上下付巷扩修工程量700米,可节约各项费用518.3675万元,经济效益显著。
(二)社会效益分析
1.目前,煤矿随着开采深度的增加,受水害影响越来越大,巷道工字钢交岔点在矿井发生水灾时,经常发生冒顶、塌落甚至堵人等事故,利用暗抬门支护技术并结合锚索支护技术能有效提高巷道交岔点综合抗灾能力,并在现有的支护形式的基础上保证了巷道服务年限、增大了巷道断面,更有利于矿井的运输、通风、行人,具有较强的实用性。
2.科学选择金属可缩性支架的参数,可以充分发挥支架的承载能力、减少维修费用、增加支架的使用次数。合理设计U型钢可缩性支架的结构,合理使用和维护支架,通过联锁加固,提高支架的整体稳定性,对矿井安全生产有重要意义。
3.提前将工作面压力集中区进行转移,缓解了直接对支架的承载能力,提高支架的使用效率。
4.随着各矿井向深部开采的发展,矿山压力显现更加剧烈,软岩巷道集中应力综合治理的成功,为类似条件下的软岩巷道掘进提供了技术保障。合