莒山煤矿15#煤层掘进大巷及大巷交叉点支护设计研究

2019-11-06李张晋

山西煤炭 2019年3期

李张晋

(山西兰花集团莒山煤矿有限公司,山西晋城 048000)

1 矿井概况

山西兰花集团莒山煤矿有限公司矿井设计生产能力0.9 Mt/a,公司现进行下组煤水平延深项目建设,9#煤层与15#煤层联合布置,投产后进行9#煤层开采,15#煤主要构成回风系统,井底布置有主要硐室。15#煤层位于太原组一段上部,K2灰岩之下,厚1.50 m(莒补2)～7.30 m(莒6),平均厚3.86 m。煤层结构简单—极复杂,含0～6层矸石,矸石厚0.03 m(莒4、莒8)～1.16 m(莒补3),全区稳定可采。煤层直接顶板为黑灰色厚层状坚硬石灰岩,平均厚10.93 m;底板为泥岩、砂质泥岩,局部为铝质泥岩。该煤层为全区稳定可采煤层。

15#煤层各巷道、硐室之间的连接主要有十字交叉等连接方式构成。根据地质报告，15#煤层顶板变化复杂,该煤层主要巷道服务时间长,断面尺寸大,故巷道两帮及顶底板煤岩体应力在15#煤层巷道开拓期间的分布规律将直接影响巷道围岩结构稳定性、巷道支护形式及支护参数的选择[1-4]。因此,有必要论证15#煤层大巷合理支护技术方案与参数,为15#煤层巷道开拓提供理论依据和技术支持。

2 工作面强度测试

采用中国矿业大学岩层控制实验室CMT5000电液刚性伺服岩石力学试验系统进行莒山矿15#煤煤块物理与力学性质试验。

在15#煤巷道中进行取样,加工成100 mm×50 mm×50 mm、50 mm×50 mm×50 mm和25 mm×50 mm×50 mm的长方体进行试验。从所取煤岩样外观上来看,15#煤煤块的受力破坏过程经历了明显的弹性变形——屈服——破坏的过程,变形量较大,基本维持在1.5 mm～2.0 mm之间,破坏后具有一定的承载性能。由测试结果可知,15#煤的单轴抗压强度为16.31 MPa,煤块的抗拉强度平均值为1.87 MPa。煤样的抗拉强度较低,煤样承受抗拉载荷能力较小。15#煤煤样的内聚力c为3.15 MPa,内摩擦角φ为18.70°。煤样的抗剪断强度较低,煤样的内摩擦角不大,可见煤样的强度也较低。

现场勘查发现,虽然巷道施工现场进行多处挑顶处理,但依然有个别破碎的较大块煤悬在顶板,存在安全隐患。现场勘查和实验研究充分证明了15#煤强度较差,容易破碎,给施工现场造成很大的安全隐患。因此,必须对15#煤巷道进行加强支护,为巷道掘进以及煤炭生产提供安全保障。

3 大巷掘进支护方案

巷道为矩形断面,尺寸为5 000 mm×3 000 mm。因15#煤大巷服务时间长,为防止煤层风化与自燃,建议进行喷浆处理,喷层厚度为100 mm。考虑支护厚度,15#煤巷道设计掘进断面尺寸为5 200 mm×3 100 mm。

3.1 锚网喷初次支护

锚杆采用高性能螺纹钢锚杆,规格为Φ20 mm×2 000 mm,杆体采用直径为22 mm的左旋无纵筋螺纹钢筋,钢号BHRB400,杆尾螺纹为M22,顶锚杆和帮锚杆间排距均为800 mm×800 mm,锚杆孔直径为28 mm;采用1卷K2335、1卷Z2360型树脂药卷加长锚固,锚固长度不少于0.5 m,顶锚杆最低锚固力120 kN,预紧扭矩均在230 N·m以上,帮锚杆最低锚固力80 kN,预紧扭矩均在220 N·m以上;托盘采用拱型高强度托盘,规格为120 mm×120 mm×8 mm。

钢筋托梁采用Φ14 mm的螺纹钢焊接而成,在安装锚杆位置各焊接两段纵筋,纵筋间距为100 mm。两相邻的钢筋托梁搭接,利用锚杆压紧搭接的两根钢筋托梁[5]。钢筋网采用10#铁丝编织,网格为100 mm×100 mm,金属网搭接长度100 mm,搭接处用双股14#铁丝双股双排扣绑扎连接,搭接处必须利用钢筋托梁和锚杆压紧。喷射混凝土强度等级C20,配合比为1：2：2,掺3%～5 %速凝剂,初喷厚度50 mm左右,要覆盖住锚杆托盘。

3.2 锚索加强支护

在完成锚网喷初次支护之后,及时进行锚索加强支护。锚索直径为17.8 mm,锚索长度为8 300 mm,锚索采用3-0-2-0方式布置,间排距为1 600 mm×1 600 mm;孔径为Φ32 mm,采用1卷CK2335、2卷Z2360型树脂药卷加长锚固;其极限承载力为355 kN;采用高强度可调型托盘,规格为300 mm×300 mm×20 mm,并采用专用锚具与设备进行张拉、固定和切割。

顶板锚索施工完成后,进行复喷混凝土。复喷混凝土厚度50 mm,使喷层总厚度达到100 mm,并要覆盖住锚索托盘。5 m宽的大巷沿煤层底板布置,其具体支护方案与参数见图1。

1-a 5 m宽大巷断面支护图

1-b 5 m宽大巷顶板支护俯视图单位：mm图1 5 m宽大巷支护示意图(沿煤层底板布置)Fig.1 Supporting diagram of 5-meter roadway(arranged along the coal floor)

3.3 底板处理

由于煤层厚度的变化,若底板岩性较差时,建议对底板进行硬化处理,以维持煤帮的稳定及安全[6];铺底厚度为100 mm,混凝土强度不低于C15。若巷道底板底臌严重时,建议对底板进行处理,可采用锚杆与锚索联合支护或自钻式内注浆锚杆进行加固。

当大巷的顶煤厚度大于2.0 m,在掘进时可维持煤巷顶板的基本稳定;当顶煤厚度小于2.0 m,在掘进时(钻爆法施工)则会出现顶煤掉落或大面积冒落现象,煤巷顶板控制较为困难。为防止顶煤掉落现象,建议采用以下措施:

1)减小掘进进尺,加强超前支护。循环进尺由2.0 m减小为1.0 m,同时可采用前探梁临时支护。

2)前探梁由Φ81 mm钢管制作,长度为4 500 mm/根,3根循环使用。

3)吊环采用Φ22 mm圆钢制作,背板为50 mm×50 mm×1 400 mm的方木,悬吊在上一循环打好的锚杆上,煤巷掘进时的超前支护结构见图2。

2-a 平面图

2-b 立面图图2 超前支护方式示意图Fig.2 Advanced supporting diagram

4 交叉点锚索加强支护技术

巷道交叉点锚网喷初次支护技术与常规巷道掘进支护方案相同,二次进行交叉点锚索加强支护。

4.1 交叉点顶锚索加强支护

顶锚索直径为17.8 mm,锚索长度沿底掘进时为8 300 mm,沿顶掘进时为6 300 mm;孔径为32 mm,采用1卷CK2335、2卷Z2360型树脂药卷加长锚固;其极限承载力为355 kN;采用高强度可调型托盘,规格为300 mm×300 mm×20 mm,并采用专用锚具与设备进行张拉、固定和切割。

沿煤层底板掘进时,在距离交叉点10 m左右的范围,两条巷道锚索布置方式均由常规的3-0-2-0布置变为3-0-3-0布置,锚索间距1 600 mm,排距1 600 mm,锚索加强支护结构见图3。

图3 5 m宽巷道与5 m宽巷道交叉点影响区域顶板锚索加强支护Fig.3 Roof anchor cable reinforcement support for affected areas at intersections between two 5-meter wide roadways

4.2 交叉点帮锚索加强支护

交叉点帮部锚索直径为17.8 mm,沿煤层底板掘进长度为6 300 mm;孔径为32 mm,采用1卷CK2335、2卷Z2360型树脂药卷加长锚固;其极限承载力为355 kN;采用高强度可调型托盘,规格为300 mm×300 mm×20 mm,并采用专用锚具与设备进行张拉、固定和切割。在交叉点4个拐角处分别布置一排帮锚索,锚索间距为800 mm,帮锚索布置见图4。

图4 巷道垂直交叉帮部锚索加强支护示意图Fig.4 Anchor cable reinforcement at the vertical intersections of roadways

在顶板与两帮处锚索施工完成后,进行复喷混凝土。复喷混凝土厚度50 mm,使喷层总厚度达到100 mm,并要覆盖住锚索托盘。交叉点施工后,若巷道交叉点变形较为剧烈、破坏严重,建议对交叉点前后10 m范围内的巷道进行加强支护,以保证交叉点处巷道围岩稳定与安全。

5 监测检验

在掘进工程中,对锚网支护定量进行抽检实验。巷道支护每隔40 m(且在喷浆覆盖前)布置3个测点,十字检查口处布置3个测点,进行锚网的拉拔力及扭矩力抽检实验,经检验顶锚杆拉拔力均不低于120 kN,帮锚杆拉拔力均不低于80 kN,预紧力均大于200 N·m。

顶板离层指示仪紧靠掘进工作面安设,布置在巷道宽度的中间,深部锚固点应固定在稳定岩层内300 mm以上,浅部锚固点固定在锚杆端部深度相同的位置,见图5。顶板离层指示仪安装后即可测读顶板离层值。孔口测读装置上所显示的颜色反映出顶板离层的范围及所处的状态,绿色表示安全,黄色表示警告,红色表示危险;显示的数值表示锚杆区内、外顶板离层值。