卫 伟
(山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司,山西 太原 030006)
山西煤炭运销集团四侯煤矿3105 回风顺槽位于井田北部,东侧为3103 采空区,西侧为3107 回风顺槽(保安煤柱宽度为25 m),北侧为矿井边界保护煤柱,南为一采区三条大巷。
3105 回风顺槽设计长度为650 m,巷道断面规格为宽×高=4.5 m×3.7 m,巷道掘进煤层为3#煤层,平均厚度为3.7 m,3105 回风顺槽采用机械化掘进工艺,截至目前巷道已掘进490 m。根据钻探可知3105 回风顺槽掘进至505 m 处将揭露一条空巷,空巷与回风顺槽夹角为85°,揭露空巷宽度为4.0 m,高2.5 m 左右,空巷沿煤层顶板布置,巷道内无支护,局部有木点柱,局部顶板冒落高度约0.5~1 m 左右。
由于3105 回风顺槽揭露的空巷年久失修,直接采用掘进机掘进与空巷贯通,很容易出现空巷受力垮落。研究决定采用松动爆破施工工艺,并对空巷顶板采取合理有效的支护。
(1)3105 回风顺槽掘进至495 m 处时停止全断面机械化掘进,将巷道迎头顶板、巷帮支护全部施工到位,顶板每排施工两组组合锚索进行加强支护,组合锚索排距为2.0 m,间距为3.0 m。
(2)巷道掘进至495 m 处时采用松动爆破施工工艺,每排施工5 个松动爆破孔,共计四排,孔深为1.0 m,单孔装药量为0.3 kg,单茬掘进深度在0.5~1.0 m 范围内。
(3)当巷道掘进至500 m 处时,每班必须超前探巷施工,实时掌握巷道与空巷实际准确距离,并严格控制掘进深度在0.5 m 范围内,同时在掘进期间对顶板施工一排超前锚杆支护,加强顶板控制维护。
(4)当巷道掘进至502 m 处且明确与空巷准确距离后,巷道停止掘进,在工作面迎头后10 m处向3107 回风顺槽施工一个排瓦斯专用联络巷,联络巷断面规格为宽×高=3.0 m×3.7 m。联络巷施工完后在工作面迎头后15 m 处施工一个临时控风调节设施。
(5)由于空巷高度为2.5 m,且沿3#煤层顶板布置,3105 回风顺槽在与空巷贯通时上部揭露空巷,前期准备工作完成后,巷道掘进距空巷1.5 m 时采用人工从巷道中部向空巷进行掘进贯通。
(6)巷道贯通后,撤出3107 回风顺槽、3105回风顺槽下风口所有作业人员,及时将风筒延伸至空巷内进行排瓦斯。在排瓦斯期间由专职的救护大队人员随时检查空巷内有害气体浓度,当空巷内有害气体浓度低于设计值时,其他人员方可进入工作面继续施工。
(7)巷道与空巷贯通后,及时在贯通口处施工两根长度为4.2 m 工字锚索钢棚,在贯通口处施工两组组合锚索进行加强支护。为了防止空巷支护期间出现瓦斯超限现象,在空巷两侧各施工一面挡风墙,墙体高度为3.7 m,宽度为0.8 m,如图1。
图1 3105 回风顺槽过空巷段平面支护示意图
为了保证巷道过空巷施工安全,保证空巷顶板整体稳定性,决定对空巷顶板采取“注浆锚杆+梯形梁索棚+U29 型钢棚”联合支护技术。
(1)支护目的。通过对空巷顶板施工深度为4.0 m 窥视钻孔并采用CXK6 型窥视仪观察发现,在0~1.8 m 范围内顶板破碎严重,顶板承载梁断裂且失去承载能力;在1.8~3.2 m范围内顶板裂隙发育,出现局部破碎现象;在3.2 m 以上顶板相对完好。所以为了提高空巷0~3.2 m范围内顶板整体稳定性,避免支护扰动破坏,简化施工工艺,决定采用注浆锚杆支护。
(2)支护设备。注浆锚杆主要由长度为3.5 m、直径为30 mm 中空高锰钢焊制而成,锚杆中部孔径为14 mm。在锚杆0.8~2.0 m 范围杆体两侧均匀焊制一排直径为8 mm 圆孔,并与中部孔串通,孔间距为0.3 m,每排4 个。采用2ZBQ50/4 型气动注浆泵,最大泵压4 MPa,最大注浆流量50 min/L,供气压力为0.2~0.63 MPa。
(3)注浆锚杆施工工艺:① 空巷顶板每排施工5 根注浆锚杆,空巷段共计施工5 排注浆锚杆,锚杆间排距为1.0 m,每根注浆锚杆采用两支锚固剂进行锚固,所有注浆锚杆垂直顶板布置,锚杆外露长度40 mm;② 同一排注浆锚杆施工完后,采用2ZBQ50/4 型气动注浆泵对锚杆进行注浆施工,注浆液采用聚氨酯化学材料,单杆注浆量15 kg,注浆压力为1.2 MPa;③ 注浆完成后在锚杆外露端安装一根长度为4.2 m、宽度为0.32 m 的W 型钢带,并采用螺母进行预紧。
为了保证空巷直接顶稳定性,加大锚索对顶板支护截面积,决定对空巷顶板施工两排梯形梁索棚。
(1)梯形梁索棚主要由梯形梁、恒阻锚索、高应力让压弹簧等部分组成。梯形梁长度为4.0 m,宽度为0.6 m,梯形梁主要由10 根直径为15 mm 圆杆焊制而成。每架梯形梁索棚配套三根恒阻锚索,长度为6.0 m,直径为21.8 mm。高预应力让压弹簧屈服压力为455 MPa,最大允许变形量为0.3 m。
(2)空顶处共计施工两排梯形梁索棚,排距为2.0 m,施工在两根W 型钢带之间,如图1。施工工艺如下:施工支护钻孔(孔深5.8 m)→锚注锚索→安装让压弹簧、梯形梁、锁具→预紧(预紧力为370 kN)。
空巷顶板主动支护施工完后,决定在空巷段安装一排密集U29 型矩形工字钢棚进行加强支护。
(1)U29 型矩形工字钢棚主要由U29 型棚腿和顶梁组成。每节U29 型棚腿长度为3.7 m,棚腿顶底部各焊制一个宽度为0.3 m、厚度为8 mm 钢板,钢板四个角各焊制四个直径为20 mm 圆孔。顶梁主要为长度为4.2 m、宽度为11 mm 工字钢梁。
(2)第一架U29 型矩形工字钢棚架设在3105回风顺槽与空巷贯通口处。首先安装U29 型棚腿,棚腿安装时采用四根长度为1.2 m、直径为18 mm地锚与底板进行固定。两根棚腿安装后将顶梁与棚腿之间采用U 型卡缆进行固定。
(3)U29 型矩形工字钢棚架设间距为1.0 m,共计架设5 架钢棚。钢棚架设后在所有钢棚顶梁上方铺设5 根长度为4.0 m 工字钢梁。
通过对空巷顶板采取联合支护设计后,3105 回风顺槽在过空巷期间未发生顶板破碎、冒落现象,取得了较好效果。
(1)通过对顶板施工注浆锚杆,解决了传统锚杆长度不足、支护效果差等难题,与传统锚杆、注浆支护相比,简化了支护工艺,缩短了支护时间,避免了不稳定顶板密集钻孔施工时产生的扰动破坏。
(2)对顶板施工让压梯形梁索棚,不仅增加了锚索对顶板支护横截面积,而且通过安装让压件,提高了锚索对顶板蠕动变形的适应性,实现了锚索与顶板耦合均让压支护作用。
(3)对空巷顶板安装密集工字钢棚,提高了顶板承载能力,降低了锚杆(索)支护在应力作用下产生的剪切破坏作用,提高了锚杆(索)支护质量,降低了支护失效现象。