综采工作面切眼及其煤层顶板施工研究

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摘 要:随着高产高效综采面的推广应用,大断面煤巷尤其是软岩顶板巷道很难维护。针对综采工作面切眼及其煤层顶板施工问题,确立锚梁网锚杆支护技术参数,集中布置放水孔技术对策,可以有效解决在粉砂质泥岩顶板和局部富水条件下的大断面切眼的围岩控制问题。

关键词:综采;工作面切眼;煤层顶板;施工研究

中图分类号:TB

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)12-0325-01

0 前言

综采工作面切眼及其煤层顶板施工研究是当前研究的热点问题。综采工作面直接顶板为粉砂质泥岩,其上赋砂岩岩层为弱含水层,受采动影响易形成砂岩裂隙水侵蚀粉砂质泥岩顶板。综采开切眼大断面采用锚杆支护替代木抬棚支护优越性明显。技术上先进,经济上合理,施工速度加快,采面的准备时间缩短,便于设备安装,工人的劳动强度大大减轻。巷道施工安全可靠,成本降低,具有较高的经济效益。现场和实验室试验表明,该类粉砂质泥岩顶板遇水后易发生崩解软化,失水后又变得易破碎,强度弱化明显,给巷道围岩控制带来了很大困难。

1 工程概况与支护对策

31200工作面切眼直接顶板为粉砂质泥岩,在无水的情况下支护状况尚好,遇水后则顶板岩石强度迅速降低,岩层表层软化、剥落,再加上切眼断面大,顶板松软破碎,容易导致锚杆径向锚固作用失效,引发顶板垮冒事故。为了查明工作面切眼粉砂质泥岩顶板遇水失稳的原因,在实验室对切眼顶板粉砂质泥岩进行了粘土相对定量分析―X射线衍射实验。随着高产高效综采面的推广应用,大断面煤巷尤其是软岩顶板巷道很难维护。按照标准分析方法进行对照分析鉴定,确定样品的物质组成。分析结果可知,顶板岩样中高岭石含量最高,其次是伊利石、蒙皂石或伊蒙混层,样品中还含有绿泥石、石英、长石及少量方解石等粘土矿物,表明切眼顶板具有明显的膨胀性软岩的物理特征。在采用锚杆支护设计前,要采用现场调查和地质力学评估、井下监测和信息反馈及日常监测的动态信息设计方法。现场调查内容包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试等。在现场调查内容的基础上进行地质力学评估和围岩分类,为设计提供可靠的参数。设计采用数值计算和经验相结合的方法进行,根据围岩参数和已有实测数据确定出比较合理的设计方案。并在井下实施,并且要进行详细的围岩位移和锚杆受力监测,根据监测结果验证或修正设计。切眼顶板为泥岩或粉砂质泥岩,岩层中膨胀性矿物含量高,岩层强度低,抗水浸和抗风化能力差,易软化;抗压及抗变形能力差,岩石坚固性差,属易冒落的松散顶板。由于切眼局部含水较大,地下水使顶板岩层逐渐潮解、泥化,塑性增强,强度降低;地下水还会使岩石或裂隙间的摩擦因数和变形模量减小,对岩体不连续面起作用,降低了岩体强度。由以上分析可知,要解决粉砂质泥岩顶板和局部富水条件下的大断面切眼的围岩控制问题,必须要保证合理的锚杆预紧力、合理的锚杆支护强度以及做好顶板岩层的保水控制,这是支护技术的关键所在。根据围岩情况和采用锚杆支护后再进行加强支护,预计顶板变形不大,因属于单一煤层开采,切眼内矿山压力无明显显现,围岩变形量不大,顶板变形量最大不超过3mm。在顶板支护后基本处于稳定状态,两帮由于有锚网支护且配有支柱及大拌背帮,也不存在片帮现象,较传统支护在顶板控制方面具有很大优越性。考虑到工作面切眼跨度大,顶板遇水后强度降低,并伴有软化、崩解、剥落现象,单一的支护形式难以有效保证巷道稳定。故确定以锚、网、喷、索配合钢带的联合支护技术为主,局部富水地带辅以注浆加固、小孔径锚索补强支护和集中布置放水孔的组合支护技术方案。

2 支护参数设计

31200东艺深部轨巷、皮带巷施工范围内埋藏深度700m以上,该巷道沿煤层顶板施工,直接顶(伪顶)为3.0-4.5m的煤与粉砂岩互层,易掉落,老顶为6.0m厚的粉细砂岩,巷道施工设计采用为净宽净高=3.0m2..2m的矩形断面,巷道设计采用锚网索+钢带联合支护,巷道顶部采用4根锚杆,间距排距=700900mm,用LФ=220018mm的等强螺纹钢,每根锚杆锚注K2535型树脂药卷2块,锚固力64KN,两帮采用LФ=180018mm的螺纹钢锚杆,每排布置3根间排距8001000mm,并加压宽厚长=14032800mm的w型钢带,巷道顶部每3m打设一组锚索(每组2根,间距1.2m),锚索采用LФ=600015.24mm的钢绞线,每根注K=2535型树脂药卷3块,锚固力不小于200KN,顶帮均压网孔规格为6060mm的8#冷拔丝经纬网。煤层顶板为粉砂质泥岩,顶板破碎易冒落,煤层易片帮;煤层底板以粉砂岩、细砂岩为主,局部较坚硬。在31200工作面切眼的施工过程中,局部富水地带还采取了注浆加固、集中布置放水孔以及小孔径锚索补强支护等措施。锚杆支护形成压缩圈厚度小松动圈厚度时,锚杆支护悬吊作用减弱,顶板会离层脱落。再采用预应力锚索补强加固,锚索长度大、预应力高、快速承载能力强,形成压缩圈厚度大,较大预应力作用下,上部稳定岩层下部组成岩层梁再组合起,每根锚索周围形成压缩区域彼重叠,复合顶板中形成个厚度更大均匀连续压缩带,各岩层面互相挤压,层面摩擦大大增加,使复合顶板形成拱梁,从而效提高顶板整体性、稳定性,加强顶板承能力。

3 支护效果评价及技术经济效益分析

为了掌握综采面切眼的围岩控制效果,在掘进过程中布置测站,通过巷道表面位移的测量监测围岩的稳定状况。针对综采工作面切眼及其煤层顶板施工问题,确立锚梁网锚杆支护技术参数,集中布置放水孔技术对策,可以有效解决在粉砂质泥岩顶板和局部富水条件下的大断面切眼的围另面视前一篇情况可加可不加岩控制问题。观测发现,综采面切眼在采用锚、网、喷、索配合钢带等联合支护技术后,巷道围岩变形速度较快;顶板离层仪的监测数据表明,顶板的松动离层变化也较小,巷道整体支护效果较好。综采面切眼在采取锚、网、喷、索配合钢带等联合支护技术后,与传统的钢棚支护相比取得了明显的技术经济效益:减少了巷道支护的材料、维护等费用,节约成本;缩短了切眼的施工工期,切眼空间增大,综采设备的运输、安装速度得到明显提升,利于矿井实现高产高效。改善了巷道的围岩状况,通过集中布置放水孔、小孔径锚索补强支护等措施减弱地下水对切眼粉砂质泥岩顶板的弱化作用,增强了巷道的稳定性,有效保障现场工人的施工安全。在分析泥岩顶板遇水失稳影响因素的基础上,结合31200综采面切眼跨度大的特点,确定了以锚、网、喷、索配合钢带的联合支护技术为主,局部富水地带辅以注浆加固、小孔径锚索补强支护和集中布置放水孔的组合支护技术方案;通过对煤矿31200工作面的地质条件和切眼顶板岩样的X-射线衍射分析可知:切眼跨度大、顶板粉砂质泥岩中膨胀性矿物含量高、地下水以及工程扰动等因素是导致顶板遇水失稳,强度降低、破碎、难支护的主要原因。

4 结论

对综采工作面切眼使用采煤机扩面的技术应用综合分析,表明此施工形式比使用掘进机扩面在技术上是先进的,经济上是合理的,安全上是可靠的。在工作面切眼进行试验获得成功,证明对综采工作面切眼扩面的施工工艺有一定的借鉴作用。全部实现综合机械化采煤,每个工作面都要进行切眼扩面,因此使用采煤机扩面取得了较好的技术效益。实践表明,采用锚、网、喷、索配合钢带的锚杆支护技术,成功控制了大断面切眼粉砂质泥岩顶板难以维护的技术难题,并有效地控制了巷道的围岩变形,取得了较为明显的技术经济效益。

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