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大采高綜采工作面煤壁片幫機(jī)理及控制技術(shù)研究

2023-01-28 06:03:44
山西化工 2022年9期
關(guān)鍵詞:煤柱桁架錨桿

孟 偉

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝礦,山西 呂梁 033000)

引言

隨著礦井采掘深度的不斷延伸,在開采煤層高度3.5 m~7 m 的厚煤層時通常采用大采高綜采技術(shù)。大采高綜采技術(shù)由于資源采出率高,煤炭含矸率低等優(yōu)點(diǎn)作為一種高產(chǎn)高效的回采工藝得到廣泛應(yīng)用。伴隨著煤層埋藏深度和工作面采高的不斷增加,大采高綜采工作面煤壁片幫、冒頂?shù)葐栴}日益嚴(yán)重,成為大采高技術(shù)亟待解決的理論技術(shù)難題。為此國內(nèi)諸多學(xué)者開展相關(guān)研究,華心祝,謝廣祥[1]為控制淮南張集礦12153 大采高綜采工作面煤壁片幫,基于理論分析和數(shù)值模擬,提出了俯斜開采,采用“注漿+桁架錨桿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù),提高采掘進(jìn)度,加固煤壁和及時治理煤壁片幫。本文結(jié)合斜溝礦18108 工作面地質(zhì)條件,針對工作面煤壁片幫嚴(yán)重問題,設(shè)計(jì)了“注漿+桁架錨桿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)有效控制煤壁片幫問題,保證礦井安全采掘。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50 km 處,井田東西寬4.5 km,南北長22 km,礦井面積約88.6 km2,設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力1 500 萬t,現(xiàn)主要開采太原組2#、8#煤層。18108 工作面現(xiàn)在主要開采山西組8#煤層,煤層平均厚度5.2 m,煤層平均傾角8.9°。18108 運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長度765 m,斷面為矩形,寬4.8 m、高2.4 m,開口位置位于8#南軌道巷東幫,方位角90°。巷道掘進(jìn)過程中每隔100 m 在前進(jìn)巷道右?guī)途蛞粋€材料硐室,長8 m、深度1 m、高度2.4 m;掘進(jìn)過程中,在巷道低洼處施工臨時水倉,長2 m、寬1 m、深度1 m。18108回風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面形式如下:掘進(jìn)斷面11.52 m2,凈寬4.6 m、凈高2.3 m,凈段面10.58 m2,采用錨網(wǎng)(索)支護(hù),巷道掘進(jìn)煤層為9 號煤層,其位于太原組中部K4 灰?guī)r之上,煤層厚度1.56 m~1.72 m,平均厚度1.62 m,厚度變異系數(shù)11.6%,可采系數(shù)100%,煤層傾角3°,結(jié)構(gòu)簡單,不含夾矸,普氏系數(shù)f=1~2。

斜溝礦18108 工作面采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝,截至2021 年5 月6 日,巷道已掘進(jìn)750 m。鉆探資料顯示,巷道掘進(jìn)至720 m 時,位于巷道北部23 m 處存在一條X3 陷落柱,陷落柱長軸長24 m、短軸長17 m,長軸與巷道掘進(jìn)方向近似平行,在720 m 前巷道掘進(jìn)過程中圍巖相對穩(wěn)定;當(dāng)巷道掘進(jìn)至720 m 時,位于陷落柱側(cè)巷幫出現(xiàn)破碎、片幫現(xiàn)象。

2 煤柱片幫機(jī)理

2.1 礦井地質(zhì)構(gòu)造

結(jié)合斜溝礦水文地質(zhì)資料顯示,18108 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至750 m,位于巷道北側(cè)存在一條X3 陷落柱,巷道與陷落柱縱軸平行布置,間距為23 m,巷道掘進(jìn)時巷道內(nèi)形成應(yīng)力釋放區(qū),陷落柱應(yīng)力沿煤柱向巷道內(nèi)釋放,釋放期間對巷幫煤柱產(chǎn)生水平張拉應(yīng)力,從而對巷幫煤柱產(chǎn)生破壞作用,導(dǎo)致煤柱出現(xiàn)破碎、片幫現(xiàn)象。

2.2 煤層賦存情況

斜溝礦18108 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)煤層為8#煤層,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層內(nèi)含三層夾矸,多以砂質(zhì)泥巖為主,總厚度為0.6 m。夾矸破壞了煤體穩(wěn)定結(jié)構(gòu),導(dǎo)致煤體穩(wěn)定性差。而18108 運(yùn)輸順槽布置在煤層內(nèi),兩幫為煤體,兩幫煤柱在應(yīng)力作用下支撐強(qiáng)度低,當(dāng)煤柱受應(yīng)力破壞后,煤柱出現(xiàn)嚴(yán)重剝離破壞,從而造成煤柱片幫。

18108 運(yùn)輸順槽在構(gòu)造應(yīng)力作用下,煤柱出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象,通過鉆探發(fā)現(xiàn),從煤柱表層向深部形成圍巖松動圈,且松動圈范圍不斷擴(kuò)大,松動圈深度達(dá)2.4 m;而原巷幫煤柱主要采用螺紋鋼錨桿支護(hù),錨桿長度為2 m、直徑為20 mm,錨桿采用端頭錨固方式,錨固長度為0.9 m,錨桿錨固位置為松動圈破碎巖體,導(dǎo)致錨桿錨固效果差,支護(hù)強(qiáng)度低。

3 片幫煤柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

為了保證18108 運(yùn)輸順槽后期安全快速掘進(jìn),防止煤柱出現(xiàn)片幫現(xiàn)象,決定對片幫采取注漿加固煤體,同時采用桁架錨桿削弱煤體內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力破壞作用。

3.1 注漿加固技術(shù)

18108 運(yùn)輸順槽片幫區(qū)采用深孔加固技術(shù),為了不影響巷道掘進(jìn)施工,注漿施工與巷道掘進(jìn)同步進(jìn)行,注漿施工滯后巷道迎頭5 m 處進(jìn)行,首先采用鉆機(jī)對片幫煤柱施工一排注漿鉆孔,鉆孔施工在距頂板1.5 m,且與巷幫煤柱垂直布置,如圖1 所示。

圖1 片幫煤柱聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)

注漿鉆孔深度為5 m,直徑為40 mm,鉆孔間距為3 m,注漿鉆孔施工完成后對鉆孔內(nèi)填入一根長度為3 m、直徑為16 mm 的注漿花管,注漿花管一端與專用注漿泵連接。為了提高注漿效果,對注漿鉆孔采用水泥砂漿、粉煤灰聯(lián)合進(jìn)行封孔處理,封孔長度為0.6 m。全部工序完成后開始進(jìn)行注漿施工,為了加快注漿液凝固速度,提高注漿加固效果,決定采用聚氨酯、催化劑、凝固劑混合漿液,注漿時先高壓后低壓,低壓穩(wěn)定在1.5 MPa 左右,注漿時間控制在15 min~20 min。

注漿施工必須一次性完成,避免二次注漿出現(xiàn)壓力不足、封孔難等現(xiàn)象,注漿完成后立即拔出注漿花管,并再次對孔口進(jìn)行封堵,注漿完成3 h 后對注漿區(qū)域進(jìn)行檢查,確保注漿合格[2-3]。

3.2 桁架支護(hù)

3.2.1 桁架支護(hù)原理

桁架支護(hù)主要對圍巖施工兩根對稱斜角支護(hù)體,在支護(hù)體之間安裝預(yù)緊裝置,并對兩根支護(hù)體進(jìn)行預(yù)緊作用,支護(hù)體在相向預(yù)緊的同時會對孔壁產(chǎn)生一個傾斜分力,兩個分力垂直巖體面,從而對巖體內(nèi)破壞作用力起到削弱、抵消作用,同時斜角支護(hù)體對圍巖產(chǎn)生傳統(tǒng)支護(hù)作用[4]。

3.2.2 桁架支護(hù)結(jié)構(gòu)

18108 運(yùn)輸順槽片幫處施工的桁架支護(hù)主要由加長錨桿、預(yù)緊裝置兩部分組成,其中加長錨桿長度為3.5 m、直徑為30 mm,錨桿為螺紋聚氨酯錨桿。該錨桿具有柔性強(qiáng)、不易變形、支護(hù)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。預(yù)緊裝置主要由張拉器、張拉桿兩部分組成,張拉器長度為0.5 m,可實(shí)現(xiàn)雙向張拉,張拉桿共計(jì)兩根,每根長度為1 m。

3.2.3 桁架支護(hù)工序

1)18108 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至750 m 時,對巷幫施工桁架錨桿支護(hù),巷幫共計(jì)施工兩排桁架,且兩排支護(hù)呈邁步式布置。

2)首先在巷幫施工兩根錨桿支護(hù)孔,第一排支護(hù)孔布置在距頂板0.8 m 處,鉆孔間距1.8 m,同一組鉆孔與巷幫呈70°夾角布置,且兩個支護(hù)孔對稱布置。

3)同一組錨索支護(hù)孔施工完成后依次對鉆孔內(nèi)錨注聚氨酯錨桿,采用MKC 型錨固劑進(jìn)行錨固,錨固長度為1 m,錨固后對錨桿外露端安裝張拉桿,并采用張拉器進(jìn)行預(yù)緊。

4)同一排桁架錨桿支護(hù)布置間距為1.3 m,第二排桁架錨桿支護(hù)與第一排布置排距為1 m,且兩排桁架支護(hù)呈邁步式布置[5]。

4 結(jié)論

隨著,斜溝礦18108 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至750 m,且已完全通過X3 陷落柱影響區(qū)域,通過對構(gòu)造應(yīng)力巷幫采取“注漿+桁架加長錨桿”聯(lián)合支護(hù)后,巷道在后期掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)巷幫大面積片幫現(xiàn)象,巷幫原永久支護(hù)失效率由原來的17%降低為3%,兩幫收縮量不足0.4 m,大幅提升了巷道成型率,保證了工作面的高產(chǎn)高效回采。

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