1.引言
东河煤矿位于山西蒲县境内,霍西煤田腹地,采用混合式通风方式,矿井开拓方式为斜井、立井混合开拓,核准生产能力年产90万吨。东河煤矿批采2#煤层,2#煤层为1/3主焦煤,为炼焦主要用煤。矿井根据采掘部署共划分三个采区,一采区已经回采结束;二采区沿着东运输大巷两翼布置工作面,东北向均已布置工作面回采完毕,东南向是预留的未布置的区域;三采区是现在开采的主要采区,2303工作面是采区布置的第二个工作面,2303工作面切眼施工中,遇到顶板岩性构造变化,顶板破碎,在探索支护方面首次采用了锚索梁联合支护,取得了成功,为矿以后遇到类似顶板破碎,如何进行支护起到了借鉴作用。
2.概况
(1)巷道位置及四邻关系
东河煤矿三采区位于井田西部,三采区设计为两翼布置工作面,所以采区下山是沿着采区井田面积居中开拓出三采运输下山、三采回风下山、三采进风下山三条区段斜巷。三采回风下山主要用来进行轨道运输和回风,安装有无极绳绞车做为运输设备;三采运输上下主要铺设胶带运输设备运出工作面采出的煤,兼做进风;三采进风下山主要做进风使用,兼做行人。设计的2303工作面位于矿三采区右翼南部,两顺槽长度1000m,切眼长度200m。工作面北部为三采运输下山和三采回风下山,西南部为已回采结束的一采区2113采空区,东侧预留2305工作面,西侧为三采区实体煤。四邻关系均为矿已采和未采实体煤,水文地质情况清楚。
(2)巷道参数
2303运输、回风顺槽设计长度1000m,高度2.4m,宽度3.8m;2303切眼设计长度200m,宽度5.3m,高度2.2m,矩形断面,掘进断面11.66m2;煤厚1.55m,倾角1°～5°。
(3)支护作用原理
东河煤矿2#煤层直接顶板钻孔取样为泥岩和砂质泥岩,属于稳定性岩层。根据一、二采区已采工作面直接顶垮落后观察,基本和钻孔一致,垮落的直接顶高度约6～8m,岩性上均为泥岩和砂质泥岩,跨落后上覆岩层趋于稳定。依据煤科院对矿井的技术设计方案,东河煤矿现采2#煤层顶板支护采用锚杆、H型钢带、金属网、锚索支护进行联合支护。支护原理就是在巷道掘进后利用锚杆、锚索的锚固原理和钢带、网、对开挖完成的顶板及时进行支护将空顶岩层与稳定岩层相连,形成强化承压拱,抵抗巷道围岩变形,达到支撑维护巷道的目的。2303切眼破碎顶板时采用的锚索悬吊钢梁,是在利用锚索深部悬吊整体岩层的基础上,把原锚杆支护使用的H型钢带更换为更有支撑力和承受重负荷的工字钢,针对凸凹不平处不能有效增强接触面积,加强对破碎岩层的支撑作用力。根据间隙大小用原木和板木进行勾顶对破碎围岩控制,锚索施加一定预紧力作用和悬吊的钢梁、原木组成整体对岩层进行压缩,岩层在锚索的弹性压缩下形成组合梁的支护方式。
3.施工工艺论述
巷道施工过程中会遇到构造变化,在井巷施工中,必须根据施工中遇到的变化进行支护方式变更,以确定最合理、最安全的支护方式对采掘活动中围岩应力破坏后进行的重新加固,确保围岩始终处于最小应力状态的变化。
(1)合理确定锚杆锚索支护参数
根据工作面地质条件,合理参照邻近工作面地质力学评估资料,依据锚杆基本原理对掘进工作面围岩破坏范围和围岩压力进行计算。
①煤巷两帮煤体受压破坏深度
c=Htan(45-Φ/2)
式中:c—煤体受压破坏深度,m;
H—巷道髙度,m;
煤的内摩擦角,Φ=arctan(f)=45°,f=1。
②巷道顶板潜在的冒落拱髙
b=a1/u=(a+c)/(Rc/l000)
式中:b—巷道顶板潜在的冒落拱高,m;
a—承受弯曲的悬臂岩层的半跨距,m;
Rr—巷道顶板岩石的抗压强度,N/cm2。
依据巷道围岩破坏范围的理论计算值,辅以工程类比,结合其他矿井的实践经验,开切眼锚杆锚索支护参数确定如下:
断面为矩形,净宽5.3m,净高2.2m。顶板锚扦选用φ20mm×2000mm的螺纹钢,间距0.8m,排距0.8m:帮锚杆选用φ16mm×1800mm的圆钢锚杆;锚索采用17.8mm钢绞线,间距2.4m,排距3.2m。金属网采1000mm×1000mm铁丝网。
在破碎段主要出现了1.7m直接顶破碎,1.7m上覆岩层岩性组合未发生破坏,所以锚杆支护改为锚索悬吊11#工字钢梁进行顶板支护,排距为1.2m。
(2)施工概述
在切眼的施工过程中,原来的施工方法是:沿煤层底板综掘机掘进,掘进循环完成后,支护用气动式锚杆钻机采用可接锚杆钻杆打眼,然后采用CK2360树脂对锚杆和锚索进行锚固,锚杆、锚索、H型钢带、网联合支护顶板,这样施工可以及时支护裸露顶板,对围岩稳定起到了有效的控制,其次便于综采工作面的安装及初次放顶。在巷道施工设计中,遇到构造或者顶板破碎地段不宜采用锚杆支护时采用金属棚支护,也能起到很好的支护效果。所有已经掘进巷道在掘进施工中断面主要宽度都在4m范围内,巷道跨度较小,在遇到顶板破碎不易采用锚杆支护时,均采取用架棚支护,起到了很好的支护效果。
2303工作面切眼设计是依据综采工作面设计,切眼断面宽度5.3m,在顶板全断面出现较破碎情况下如果采用工字钢棚支护,钢梁较长,当巷道顶板压力下沉时,极易对钢梁中间支护强度较弱段梁压弯,起不到很好的支护效果,还容易带来安全隐患。
根据现场掘进后,观察到的顶板破碎很快垮落部分高度约1.7m,再往上直接顶板处于稳固状态,在锚索孔施工时,根据钻机打孔岩性分析,1.7m直至8m岩层都较稳定,且原巷道锚索支护孔深均是8m,鉴于前述岩层较稳定的情况下,并对施工的锚索进行拉拔试验后,研究决定在破碎段锚杆无法支护的情况下,暂时不使用原来的锚杆、钢带和金属网的联合支护方式,而是采用锚索和工字钢梁联合支护的方式对切眼进行支护,空顶部分采用1.2m原木进行勾顶,为了解决钢梁长5m中间易压弯的问题,在钢梁的两端和中间各打孔,使用17.8mm锚索三根均匀对钢梁进行吊挂,解决了中间承受压力弱易弯曲带来的安全隐患问题。在掘进支护问题解决后,2303切眼施工进度按期进行,按照预定计划完成了工作面贯通。为矿井的工作面接替创造了有利条件。
(3)支护效果检验
2303工作面切眼从顶板破碎段出现,以总工为主要的技术负责人、技术部、地测部和掘进队负责人,多次深入现场分析,并前期进行了支护方式的试验,对锚索孔钻孔过程中遇到岩层裂隙后,退钻杆后容易掉渣等进行了现场操作,与现场的经验丰富的老工人一同研究支护方式到反复论证,确定了锚索悬吊工字钢梁的支护方式,针对顶板不平整接顶不严实的地方,依据工字钢棚勾顶的方式采用圆木和半圆木进行接顶。从遇到地质构造研究支护方案开始到顺利完成贯通用时11天,比预期工期迟完成两天,但也在影响范围之内。东河煤矿技术部门为了准确观测和检验首次在大跨度、破碎顶板情况下的锚索梁支护效果,在施工中,布置了测点对顶底板移近量,顶板离层值进行观测,并把观测记录数据输入电脑进行分析,从对图中的曲线观察,使用锚索梁联合支护有效的控制了顶板的下沉,取得了良好的支护效果。
4.结论
煤矿巷道掘进中,主要是如何有效控制掘挖后对破坏的煤壁和顶板的有效控制,东河煤矿在实际生产中,结合近几年来施工中一、二采区支护方式的变化以及遇到地质构造下混合支护方式的运用,通过理论和实际相结合,创新运用了锚索悬吊工字钢梁支护大断面顶板,取得了很好的效果。
(1)顶板破碎后,由于原设计锚杆支护深度为2m,破碎围岩遭到构造破坏,锚杆有效锚固长度不够,起不到组合梁的作用,采用锚索吊钢梁联合支护形式,锚索长度8m,1.7m上覆岩层没有受到构造破坏,岩层比较稳定,采用设计锚索支护对开掘后的顶板控制可以起到很好的支护强度,施工方法较正常情况下变化不大,可以保证施工速度,缓解了接续紧张的压力。
(2)锚索悬吊钢梁的可操作性和稳固性在现场施工后得到了充分的证实。在顶板破碎凹凸不平甚至顶板存在大块浮石的情况下,可以用原木和板木进行勾顶,钢梁起到了支撑作用,防止了破碎顶板继续下沉。
(3)在遇到地质构造掘进观察时,煤层直接顶破碎冒落高度约1.7m高,再往上岩层较稳定,整体岩层未发现裂隙及离层,这是采用锚索梁支护的依据,在边施工边进行离层仪数据观测,顶板没有明显下沉。在施工完成后的十五天后,离层仪测得顶板最大相对移近量为50mm,在允许的安全范围内。
(4)自切眼施工完毕,至工作面安装完成,3个月时间没有发生顶板明显下沉及变形,支护效果良好。
(5)该支护方法是科学理论和实践施工中的有效结合,解决了大跨度巷道破碎顶板支护的难题,实践证明在东河煤矿可以推广使用的支护方法。
摘要：文章全面概述了工作面切眼掘进时,遇到地质构造变化时,针对大断面顶板如何试验探索出的一种行之有效的顶板支护方式。很好解决了矿井采掘中遇到顶板破碎、淋水、整体性遭受破坏情况下,如何与施工实际相结合解决顶板支护问题。
关键词：锚索梁联合支护,切眼,顶板支护
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