互补控制技术在极软岩大断面开切眼中应用

宋德军 王书有 杨然景

铁法煤业(集团)有限责任公司小康煤矿矿井自然地质条件为深井软岩、高应力、强膨胀,在此种岩性中开挖巷道,尤其是大断面开切眼,巷道来压迅速、变形快、变形量大,给小康煤矿的安全生产造成极大的威胁;如S2S7段综放面开切眼,为了满足整体安装综放设备技术要求,采用大断面,其支护形式为架设7.50m椭圆拱形棚、喷射混凝土,喷厚为300mm,棚距600mm;在其服务期间内230m巷道有85m进行了翻修(严重失修率达36.96%),给小康煤矿生产及安全造成很大的影响。基于此,我们在设计S2W1段综放面开切眼时,借鉴S2S7段综放面开切眼的经验教训,经过认真细致的研究与分析,最终决定采用了互补控制技术,取得了良好的技术经济效果。

1 工程概况

本综放面位于小康井田三台子背斜北翼,由次一级的倾伏背向斜所组成,并在向斜南翼伴有小断层和煤层缺失变薄带,给采掘工作造成一定影响。向斜北翼煤层倾角8°～13°,向斜的南翼煤层倾角5°～7°;综观工作面,煤层赋存比较稳定,煤层的倾向倾角变化较大。

煤层属于节理、层理发育的松软岩层,它的变形特征主要表现为碎胀;开切眼的围岩呈泥质胶结,具有遇风、遇水风化、膨胀特征;且压力大,变形速度快,持续时间长;属于比较典型的极软岩。

开切眼与两巷以垂直相连。开切眼断面采用椭圆拱形,净宽7.5m,净高3.5m。

2 锚网喷复合支护方案的选择

依据S2W1段综放面开切眼的围岩地质条件,结合小康煤矿生产实际,我们认为,S2W1段综放面开切眼断面形状应选择巷道应力集中小、稳定好的椭圆拱形断面。

根据小康煤矿软岩岩体强流变性质、遇水风化软化急速膨胀特性、强烈四周来压现象以及巷道围岩变形规律,采用复合支护。锚杆支护参数进行如下设计。

采用Φ22×2400mm的螺纹钢锚杆,锚杆间、排距800×600mm,五花眼布置。选用树脂加长锚固,每孔装3个树脂锚固剂,先装入CK2335 锚固剂一个,后装入Z2335 锚固剂两个;锚固长度为1400mm,预紧力为150KN;抗拉强度为820MPa。采用旧36U型钢加工成的强力钢带连接锚杆;拱部参数为500×100×8mm,两帮参数为1000×100×8mm。

锚索参数:锚索参数:锚索采用高预应力锚索,由高强度低松弛的1×19钢绞线制成,采用Φ28.6×7300mm。锚固剂采用1支K2860和1支M2860或1支K2835和1支M2860树脂锚固剂。锚索间、排距为1600×1200mm。预应力为300KN。

根据小康煤矿的生产实际情况和所选用支护结构,决定采用7.5m36U型钢可缩性椭圆拱形支架,每节搭接长度为600mm,每搭接处上4套U型螺杆式卡缆;每节梁中部上用废U型钢加工的强力拉板一套,使支护体发挥整体支护能力;棚距为600mm。

采用自制菱形网,网格间距为80×120mm;规格为1300×6500mm。

喷浆厚度为100mm;材料为不含速凝剂的沙浆。

3 效果观测与技术经济效益分析

3.1 观测结果

为了对互补控制支护技术效果进行观测,在大断面巷道顶板及两帮每隔30m布设一组测点,观测顶底板及两帮移近量。观测发现巷道开挖5d内顶底板及两帮移近速度较快,下沉量最大为50mm,两帮移近最大为100mm,10d后变形量显著减少,30d后趋于稳定,最大下沉量达145mm,两帮最大移近量达223mm,基本处于稳定状态,在稳定时顶板最大下沉量达180mm左右,两帮最大移近量达350mm左右。

大断面极软岩采用互补控制技术在小康煤矿综放面开切眼首次应用,未发生一起顶板事故,巷道贯通后只需普遍卧一次底,就能满足生产需要,有着很强的实用性。

3.2 技术经济效益分析

3.2.1 改善了巷道支护状态

采用互补控制技术之所以能有效地控制围岩,其原因有如下几点。其一是能与松软岩的变形特性相适应。松软岩层具有强度低、变形快、易膨胀、易崩解的特性。这就要求支护结构一方面要有足够的强度,以承受强大的地压;另一方面能允许围岩产生一定量的变形,使地压部分释放,同时发挥了围岩的自承能力。其二是及时喷射混凝土封闭围岩,使得易膨胀风化的泥质粉砂岩尚未膨胀和风化就被封闭,这样能使围岩的强度保持在一个较高的水平。否则,将使围岩的强度大幅度下降。其三是锚杆、锚索在围岩内既不受弯曲力矩,又不因载荷的非均布性而降低其支护能力。其它外部支护方式在围岩地压的作用下,达到屈服极限的应力主要是由弯曲力矩造成的。而支架失去稳定性而减弱或失去竖向承载能力,是由侧压力或载荷的非均布性造成的。由于锚杆、锚索沿径向安设,是经纬式布置的,所以锚杆、锚索支护能有效地抵御上述破坏力系,有效地控制住围岩。其四,锚杆、锚索具有悬吊作用,使危岩不能冒落。其五,从结构力学的观点看,由于喷层和围岩紧密粘结,锚杆、锚索加固了巷道的围岩,因此它们就组成了“组合拱”,即喷层、锚杆、锚索和一定范围的围岩组成了一种承载结构。它们共同承载,共同变形,共同抵御巷道地压,使巷道保持长期稳定。

3.2.2 工人的劳动强度明显降低

巷道贯通后只需普遍卧一次底,不用翻修,就能满足生产需要,从而大大降低了工人的劳动强度。

3.2.3 成本降低,效益增高

新型支护每米增加材料消耗为锚杆16套,费用125元/套,锚索7套,费用256/套;巷道单位成本增加为:3792元/m。

原支护形式巷道单位成本增加为:11897元/m。巷道翻修巷道单位成本为:9978元/m。由于新型支护巷道不翻修,因此少翻修巷道278×36.96%=103m,为此增加费用3792×278-9978×103=2.6442万元。

由于巷道不翻修而节省时间为103÷3=34.3d(原班翻修5架棚,计3m/d),按日生产8000t计算,每吨利润按80.65元计算,可获利2213.0360万元(8000t/d×34.3d×80.65元 =2213.0360万元)。

由于开切眼不用翻修,不仅使得巷道维修费用大幅度降低,而且使得工作面及时安装投产,为小康煤矿安全高效集约化生产提供了保障。

4 结语

互补控制技术在小康煤矿S2W1段综放面开切眼大断面的应用获得成功,对于易膨胀、易风化的松软岩层中大跨度(或大断面)硐室,采用互补控制技术,是非常经济和有效的,具有推广应用价值。