松軟煤層復(fù)合頂板切頂留巷幫-頂協(xié)同控制方法研究

松軟煤層復(fù)合頂板切頂留巷幫-頂協(xié)同控制方法研究

0切頂留巷加固支護(hù)技術(shù)無碳開采對(duì)于解決煤柱高度集中引起的影響地壓和車間開采的替代問題非常重要。當(dāng)前專家學(xué)者針對(duì)切頂沿空留巷問題做了諸多有益探索。陳上元等將沿空巷道劃分為超前影響區(qū)、留巷變形區(qū)和留巷穩(wěn)定區(qū)3個(gè)維控區(qū)域，針對(duì)不同分區(qū)分別分析其控制機(jī)理。李愛軍等提出一種新型主、被動(dòng)結(jié)合的切頂留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式。蘇夏收等給出了留巷的預(yù)裂切縫、恒阻支護(hù)和動(dòng)壓期臨時(shí)支護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的理論公式。陳立軍提出集“恒阻大變形錨索+鋼帶加固、深孔爆破預(yù)裂頂板、臨時(shí)+永久支護(hù)相結(jié)合及U型鋼擋矸”于一體的綜合治理方式。袁超峰等確定了未貫穿面拉應(yīng)力隨切頂高度和切頂角度的變化規(guī)律。馬新根等針對(duì)不同分區(qū)分別建立對(duì)應(yīng)的力學(xué)簡(jiǎn)化模型，對(duì)巷道頂板變形規(guī)律及巷內(nèi)支護(hù)需求進(jìn)行理論力學(xué)分析。計(jì)慶輝建立了上覆頂板“懸臂梁+鉸接巖梁”的結(jié)構(gòu)模型，確定了切頂卸壓下巷內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度。楊軍等運(yùn)用功能原理討論了切頂留巷中短臂梁頂板在各變形階段的敏感性。以上學(xué)者豐富了切頂沿空留巷理論及技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，以上述研究為基礎(chǔ)，本文分析了松軟煤層復(fù)合頂板切頂留巷的難點(diǎn)，提出了松軟煤層復(fù)合頂板切頂留巷圍巖控制技術(shù)體系，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)，取得較好效果。1煤層上覆隔空板-某礦12104工作面平均埋深537m，平均傾角3.6°，煤層厚度2.9m，煤體松軟，其單軸抗壓強(qiáng)度為1～4MPa，煤體裂隙發(fā)育。煤層上覆10m范圍內(nèi)為煤線、泥巖、炭質(zhì)泥巖等強(qiáng)度較低的薄層復(fù)合頂板，如表1所示。在12104工作面的回風(fēng)巷進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂沿空留巷，如圖1所示。2復(fù)合頂板留巷難點(diǎn)分析采場(chǎng)頂板安全穩(wěn)定是保證礦井正常開采的前提條件，而松軟煤層復(fù)合頂板沿空留巷相較于傳統(tǒng)地質(zhì)條件下的沿空留巷，不論是松軟煤體、復(fù)合頂板、預(yù)裂爆破布孔形式及巷道控制等方面難度均更大，因此十分有必要開展松軟煤層復(fù)合頂板條件下留巷圍巖支護(hù)技術(shù)研究。2.1關(guān)于煤炭開采和松樹(1）煤層壓力較大時(shí)頂板不穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性加大，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性不足,頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)定性增加，頂板不穩(wěn)在爆破切頂擾動(dòng)作用下，由于復(fù)合頂板的整體剛度和強(qiáng)度較低，自身承載能力較低而不能經(jīng)受上覆巖層的壓力，導(dǎo)致頂板巖層不斷下沉、離層，甚至破壞，同時(shí)上覆巖層荷載傳遞到破碎煤幫淺部，煤幫淺部在集中應(yīng)力作用下進(jìn)一步破碎而失去承載能力，使兩幫極軟煤體塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍擴(kuò)大，片幫嚴(yán)重，復(fù)合頂板的固定支撐端不斷向碎裂煤幫深部轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致頂板懸頂面積增大，頂板不穩(wěn)定性增加。(2）煤幫整體性差，錨固點(diǎn)不穩(wěn)定由于煤體結(jié)構(gòu)較為松散破碎，且力學(xué)強(qiáng)度較低特別是當(dāng)頂板為復(fù)合頂板并受到采掘及爆破擾動(dòng)影響時(shí)，煤幫所受的應(yīng)力尤為集中，導(dǎo)致煤幫在極短時(shí)間內(nèi)形成大范圍破碎區(qū)、塑性區(qū)，錨桿索錨固基點(diǎn)不牢靠，極易造成錨固失效，從而導(dǎo)致煤幫整體性被極大削弱，最終喪失支撐能力。2.2復(fù)合頂板方面該工作面復(fù)合頂板由粗砂巖、煤線、頁巖及泥巖等厚度較小，層理、節(jié)理和裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低的軟弱煤巖層相間構(gòu)成，各巖層之間有極薄弱的光滑面、剛度和強(qiáng)度差異較大、黏結(jié)力較弱甚至無黏結(jié)力，弱化了復(fù)合頂板的整體承載強(qiáng)度。在爆破切頂擾動(dòng)作用下，各巖層沿破壞的結(jié)構(gòu)面水平錯(cuò)動(dòng)，相對(duì)錯(cuò)動(dòng)區(qū)域不斷增大，同時(shí)各分層縱向彎曲位移也不斷增加，分層內(nèi)產(chǎn)生垂直層面裂隙并不斷擴(kuò)大，宏觀上造成頂板破碎松散、離層脫落、整體下沉嚴(yán)重甚至大面積冒落等現(xiàn)象，難以形成整體共同承載結(jié)構(gòu)，在此情況下，采用常規(guī)錨桿索支護(hù)復(fù)合頂板難度大、安全可靠性低，變形破壞特征示意圖如圖2所示。2.3懸吊和拉伸作用松軟碎裂煤幫整體性差，錨固點(diǎn)不穩(wěn)定，復(fù)合頂板強(qiáng)度低、易離層、無穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)且懸頂面積大，進(jìn)行常規(guī)錨桿索支護(hù)時(shí)，錨桿索沒有充分發(fā)揮懸吊和拉伸作用，預(yù)應(yīng)力傳播區(qū)域減小，難以形成協(xié)同支護(hù)系統(tǒng)。并且錨桿索支護(hù)錨固區(qū)域都在碎裂煤幫和復(fù)合頂板內(nèi)，煤幫及頂板內(nèi)不能形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，在爆破擾動(dòng)作用下，支護(hù)體無法聯(lián)動(dòng)，即使進(jìn)行了錨、網(wǎng)支護(hù)，頂板下沉及煤壁擠出變形也會(huì)非常明顯，頂板、煤幫變形相互作用，形成惡性循環(huán)，造成單體柱彎曲變形、鋼筋網(wǎng)撕裂、網(wǎng)兜明顯、錨固失效及托盤脫落等礦壓現(xiàn)象。3破碎層復(fù)合頂板的留下孔理算機(jī)3.1采空區(qū)側(cè)頂板切頂錨索支護(hù)隨著爆破切頂及工作面推采工作進(jìn)行，采空區(qū)側(cè)復(fù)合頂板容易垮落，垮落過程中矸石運(yùn)動(dòng)對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)有瞬時(shí)沖擊作用，壓實(shí)過程對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)有橫向擠壓作用，且復(fù)合頂板垮落后不易形成短臂梁穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。為此，采空區(qū)側(cè)采用切頂長(zhǎng)錨索支護(hù)頂板，切頂錨索發(fā)揮較好的懸吊作用，并確保錨固端位于較穩(wěn)定巖層內(nèi)，防止頂板在預(yù)裂爆破時(shí)或留巷過程中產(chǎn)生較大的離層。同時(shí)采用雙排可縮U型鋼擋矸護(hù)幫結(jié)構(gòu)進(jìn)行擋矸，雙排可縮U型鋼抗橫向變形能力強(qiáng)，且當(dāng)頂板有大的來壓時(shí)，其具備一定讓壓功能，可保證支護(hù)構(gòu)件不被壓彎，形成安全的碎石巷幫支護(hù)體系。3.2板支護(hù)技術(shù)原理復(fù)合頂板破碎松散、易離層脫落，難以形成穩(wěn)固的承載結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板整體錨固承載結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力槽鋼桁架錨索進(jìn)行復(fù)合頂板支護(hù)，其錨固點(diǎn)位于深部較穩(wěn)定受壓巖層，能在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時(shí)提供擠壓應(yīng)力，從而有效降低巷道中部區(qū)域煤巖體最大拉應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)頂板多向受壓，提高煤巖體的強(qiáng)度和抗變形破壞性能。此外，傾斜錨索與高強(qiáng)度槽鋼形成的桁架錨索支護(hù)裝置，結(jié)構(gòu)不易失效，起到了力傳遞作用，將巷道兩肩深窩的穩(wěn)定錨固力傳遞到巷道幫壁上，同時(shí)還增大了幫壁的受力面積，給予巷道兩幫壁提供了強(qiáng)大的支護(hù)力。3.3平衡面為復(fù)合頂板松軟煤幫采用槽鋼桁架錨索的錨固范圍廣，可有效錨固到留巷頂板和底板。一方面，傾斜錨索將穩(wěn)定錨固力傳遞到復(fù)合頂板上，與頂板桁架錨索的壓應(yīng)力耦合，形成強(qiáng)大的受壓體系，確保頂幫穩(wěn)固；另一方面，傾斜錨索還將其錨固力傳遞到巷道底板，增大了底板的受壓面積，為巷道底板提供了強(qiáng)大的支護(hù)力，確保幫底穩(wěn)固。3.4采出采后鋼桁架錨索切頂留巷綜合支護(hù)系統(tǒng)采用集采空區(qū)側(cè)切頂錨索+雙排可縮U型鋼、復(fù)合頂板槽鋼桁架錨索及煤幫槽鋼桁架錨索于一體的全方位綜合支護(hù)系統(tǒng)可形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，切頂留巷綜合支護(hù)系統(tǒng)示意圖如圖3所示，可有效實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板松軟煤切頂留巷穩(wěn)定。4控制和技術(shù)應(yīng)用4.1爆炸參數(shù)(1）沖擊頂板的作用由于是復(fù)合頂板，所以采用間隔空孔的方式預(yù)裂，這樣對(duì)頂板的沖擊作用較小。多聯(lián)孔同時(shí)預(yù)裂，切縫的效果明顯優(yōu)于單孔預(yù)裂，結(jié)合頂板強(qiáng)度較低，所以綜合采用三聯(lián)孔同時(shí)預(yù)裂的方式，如圖4所示。(2）空孔與藥劑爆破孔間距鉆孔的間距影響爆破的效果，間距過小會(huì)導(dǎo)致鉆孔工程量的增加，間距過大時(shí)，爆破效果不佳。為取得良好的爆破效果，同時(shí)考慮到復(fù)合頂板的不穩(wěn)定性，空孔與裝藥爆破孔的鉆孔間距為0.4m（相當(dāng)于爆破孔間距0.8m，中間有空孔，如圖4中的a=0.4m），與巷幫距離d=5cm左右，鉆孔向采空區(qū)方向傾斜10°～15°。(3）留巷頂板傾斜下沉合理的鉆孔深度對(duì)留巷的成功起著至關(guān)重要的作用，切頂高度不足，則采空側(cè)頂板垮落不能完全充滿采空區(qū)，導(dǎo)致留巷頂板出現(xiàn)傾斜下沉，給留巷的維護(hù)帶來不便；切頂高度過大，雖然能起到良好的切頂效果，但工程量過大同時(shí)不經(jīng)濟(jì)?？紤]到復(fù)合頂板垮落后能夠充滿采空區(qū)，因此炮孔深度式中H———工作面采高，H=2.9m;K為了探究合適的炮孔深度并考慮到一定的安全系數(shù)，取炮孔深度5、7、9m進(jìn)行試驗(yàn)。(4）炮孔參數(shù)設(shè)置聚能爆破炸藥采用煤礦許用三級(jí)乳化炸藥，采用炸藥規(guī)格為直徑φ32mm×200mm/卷；根據(jù)切縫范圍內(nèi)頂板巖性特征，結(jié)合以往切頂卸壓聚能爆破工程，炮孔裝藥方案如表2所示。裝藥量分別選擇為“3+3+2”、“3+3+3+2”、“3+3+3+3+2”,3種爆破方案的詳細(xì)爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。電雷管采用煤礦許用毫秒延期電雷管。在留巷段，將上述3種方案各試驗(yàn)50m?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)方案1，切頂過后采空區(qū)矸石未充滿頂板，留巷頂板變形過大，支護(hù)困難；方案2和方案3切頂效果良好，留巷穩(wěn)定，圍巖變形量小。因?yàn)榉桨?和方案3留巷效果相差甚微，同時(shí)考慮到施工量及經(jīng)濟(jì)性，最終確定選用方案2進(jìn)行后續(xù)切頂留巷。(5）粘土密封為防止吹孔，在留有一定的安全系數(shù)情況下，炮孔的封泥長(zhǎng)度確定為1.5m。4.2槽鋼-錨索支護(hù)系統(tǒng)松軟煤層具有強(qiáng)度低、黏聚力低、承載性差等特點(diǎn)，造成巷幫破壞嚴(yán)重、變形量大、巷幫支護(hù)困難。為提高煤體整體承載強(qiáng)度，在原有錨桿支護(hù)體系基礎(chǔ)上，提出“槽鋼-錨索”系統(tǒng)支護(hù)措施。(1）實(shí)體煤幫采用“槽鋼-錨索”支護(hù)系統(tǒng)，錨索傾斜錨固在穩(wěn)定巖層區(qū)域內(nèi)，錨固點(diǎn)穩(wěn)定，增強(qiáng)實(shí)體煤幫抗剪能力。(2）巷幫采用槽鋼形成“強(qiáng)護(hù)表結(jié)構(gòu)”，高預(yù)應(yīng)力錨索端部受力作用在槽鋼上，增大受力面積，不至于錨索被“拉”進(jìn)破碎煤體內(nèi)，從而在巷道壁形成穩(wěn)定可靠的承載結(jié)構(gòu)，防止煤壁片幫。實(shí)體煤幫采用“錨桿+槽鋼-錨索加固”聯(lián)合支護(hù)。槽鋼-錨索采用φ17.8mm×5300mm的鋼絞線，幫部跨距1500mm，排距2000mm。上位錨索距頂板900mm，下位錨索距底板900mm，與水平方向夾角為20°，排距2000mm，與頂板槽鋼錨索同排布置。4.3頂板錨固點(diǎn)支護(hù)由于該工作面復(fù)合頂板難以形成整體共同承載結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)錨桿索支護(hù)復(fù)合頂板難度大、安全可靠性低。復(fù)合頂板控制的關(guān)鍵是要形成頂板整體結(jié)構(gòu)和提高頂板整體強(qiáng)度，故采用高預(yù)應(yīng)力桁架錨索系統(tǒng)加固頂板，進(jìn)而提高復(fù)合頂板整體強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力桁架錨索系統(tǒng)是由預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絞線、專用連接器、鎖具和樹脂錨固劑組成。與普通單根錨索錨固頂板相比，①桁架錨索系統(tǒng)錨固點(diǎn)在巷道肩角，端部錨固位置處在三向應(yīng)力中，不受頂板離層的影響，避免了單根錨索頂板離層時(shí)錨固段錨固力不足；②桁架錨索在水平和豎直方向主動(dòng)提供擠壓應(yīng)力，降低了頂板圍巖所受剪應(yīng)力，進(jìn)而提高了圍巖整體強(qiáng)度。頂板采用切頂錨索+桁架錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。錨桿采用φ22mm×2600mm，間排距900mm×1000mm。普通單體錨索采用φ17.8mm×8300mm，排距2000mm。切頂前在采空側(cè)補(bǔ)打2排切頂錨索，型號(hào)φ21.8mm×9300mm，錨索間距600mm，排距2000mm，第1排距巷道壁400mm，與原有普通錨索交錯(cuò)布置。槽鋼錨索采用φ17.8mm×8300mm鋼絞線，兩連鎖間距1800mm，排距2000mm，采用非對(duì)稱布置，采空側(cè)距巷道中心線1000mm，實(shí)體煤側(cè)錨索距巷道中心線800mm，角度與豎直方向夾角20°，與切頂錨索同排布置。4.4采空區(qū)頂板支護(hù)方式轉(zhuǎn)變沿空留巷采空側(cè)的控制對(duì)留巷成敗起著重要作用。既要防止矸石竄入巷道，又要防止頂板向采空側(cè)出現(xiàn)傾斜下沉給巷道維護(hù)帶來不利影響，復(fù)合頂板沿空留巷又要注意頂板采空側(cè)頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象。針對(duì)以上問題，提出“切頂卸壓+切頂錨索+擋矸單體支護(hù)”的主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的支護(hù)方式。通過切頂預(yù)裂技術(shù)主動(dòng)切斷采空區(qū)頂板與實(shí)體煤側(cè)的力學(xué)聯(lián)系，減弱留巷頂板壓力；補(bǔ)打切頂錨索、加設(shè)單體支柱防止頂板出現(xiàn)傾斜下沉；通過擋矸單體和金屬網(wǎng)阻止了采空區(qū)矸石竄入巷道，并形成新的矸石幫。矸石幫采用29U型鋼配合金屬網(wǎng)進(jìn)行擋矸，U型剛凹面朝向巷道，在距幫部500mm，排距1100mm架設(shè)單體支柱對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在單體頂部采用π型梁與巷道頂板支緊，并將π型梁插入29U型鋼凹槽內(nèi)，提高整體穩(wěn)定性。沿空留巷圍巖綜合支護(hù)示意圖如圖6所示。4.5巷道圍巖位移量觀測(cè)為了觀測(cè)復(fù)合頂板破碎煤層沿空留巷圍巖變形規(guī)律，通過十字布點(diǎn)法對(duì)巷道頂?shù)装寮白笥規(guī)臀灰屏窟M(jìn)行觀測(cè)。結(jié)果如圖7所示。通過2個(gè)月的觀測(cè)留巷最大兩幫位移量220mm；最大頂?shù)孜灰屏?55mm，從觀測(cè)結(jié)果可以看出巷道整體變形量在可以接受的范圍內(nèi)。復(fù)合頂板松軟破碎煤層切頂預(yù)裂沿空留巷取得了良好的支護(hù)效果，保證了下個(gè)工作面回采時(shí)安全使用。5雙桁架聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)切頂爆破(1）松軟煤層復(fù)合頂板切頂留巷需