綜采原位沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

文/翟來(lái)軍

綜采原位沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

文/翟來(lái)軍

沿空留巷是合理開(kāi)發(fā)煤炭資源，提高煤炭回收率，改善巷道維護(hù)，減少掘進(jìn)量，有利于礦井安全生產(chǎn)和改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)先進(jìn)的地下開(kāi)采技術(shù)。推行沿空留巷，不僅對(duì)生產(chǎn)礦井進(jìn)行技術(shù)改造、緩和采掘關(guān)系和延長(zhǎng)礦井使用壽命具有現(xiàn)實(shí)意義，而且也是煤炭企業(yè)改善安全條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，增產(chǎn)增盈減虧的主要途徑之一。目前對(duì)于綜采原位沿空留巷技術(shù)的研究尚少，本文就冀中能源峰峰集團(tuán)小屯礦2106工作面綜采大斷面原位沿空留巷支護(hù)形式、回采期間巷道變形規(guī)律以及錨桿受力的觀測(cè)進(jìn)行了闡述。

一、地質(zhì)概況

小屯礦為高瓦斯礦井，2007年度瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果為：礦井瓦斯絕對(duì)涌出量55.41m3/min，瓦斯相對(duì)涌出量為11.45m3/t。煤層自然發(fā)火期為3~6個(gè)月，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)。為降低技術(shù)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，綜采原位沿空留巷技術(shù)應(yīng)用研究工業(yè)性試驗(yàn)點(diǎn)選在小屯煤礦瓦斯含量偏低且煤層自然發(fā)火期尚短的2106綜采工作面。

2106綜采工作面位于東一采區(qū)南部東側(cè)，工作面西側(cè)為未被開(kāi)采的實(shí)體煤層；東側(cè)2104工作面；南部至南風(fēng)井保安煤柱線；北部為東一集中皮帶運(yùn)輸石門(mén)。工作面傾斜長(zhǎng)度230m，走向長(zhǎng)度767m；工作面地面標(biāo)高67.20m~69.10m，井下標(biāo)高為-354m~-390m。

2106綜采工作面開(kāi)采2號(hào)煤，煤層賦存穩(wěn)定，傾角大部分為5°，平均厚4.5m，普氏堅(jiān)固性系數(shù)f=1~1.5；煤層頂板為二類(lèi)Ⅱ級(jí)，偽頂厚0~0.8m，為炭質(zhì)泥巖，分布不穩(wěn)定；直接頂厚0~7m，平均4m，為泥質(zhì)粉砂巖，層理一般不太發(fā)育，完整性較好，普氏系數(shù)f=3~4；老頂厚5~14m，一般8~10m，為中細(xì)砂巖，普氏系數(shù)f=6~8；底板為厚0.6m的泥質(zhì)粉砂巖及厚2m的細(xì)砂巖，普氏系數(shù)f=3~4。

二、巷道支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)

原巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形斷面，寬×高=5.0m×3.0m。

支護(hù)參數(shù)確定原則是：高預(yù)應(yīng)力、加長(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固；應(yīng)力擴(kuò)散，增大護(hù)表構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度；組合支護(hù)，錨桿錨索匹配，保證支護(hù)整體性能；高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性、低密度。

1.頂板支護(hù)

巷道頂板采用7根Ⅳ級(jí)左旋錨桿專(zhuān)用螺紋鋼超高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿加4.8m長(zhǎng)T1型鋼帶、φ10mm鋼筋網(wǎng)或φ6mm冷拔電弧金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

錨桿規(guī)格為φ22-M24-2600mm，每根錨桿配套φ30鉆孔、三節(jié)Z2350型樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿間距750mm，排距800mm、錨桿預(yù)緊力不低于60~80KN，錨固力不低于120KN，錨桿預(yù)緊力矩不小于300N·m。

巷道頂板每3排錨桿布置11套高于應(yīng)力錨索梁，呈“4-3-4”布置，眼孔深度6m，錨索與頂板垂直。

2．兩幫支護(hù)

巷道兩幫采用4根左旋錨桿專(zhuān)用螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿加2.6m長(zhǎng)M4型鋼帶、φ10mm鋼筋網(wǎng)、φ6mm冷拔電弧金屬網(wǎng)或鋼塑復(fù)合網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格φ20-M22-2500mm。每根錨桿采用二節(jié)Z2350型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；幫部錨桿間距為800mm，排距為800mm。錨桿預(yù)緊力不低于60~ 80KN，錨固力不低于80KN，錨桿預(yù)緊力矩不小于300N·m。

3．超前工作面擴(kuò)幫與大斷面巷道加固支護(hù)技術(shù)

在2106綜采工作面前方，對(duì)回采側(cè)煤壁進(jìn)行超前擴(kuò)幫處理，如存在偽頂，應(yīng)將偽頂破除。頂板采用錨桿、錨索加固。頂板錨桿間排距為800mm×1000mm，每排三根錨桿，錨桿規(guī)格為φ20-M22-2500mm等強(qiáng)錨桿，鋼筋梯長(zhǎng)2.2m。每根錨桿采用一節(jié)CK23120型樹(shù)脂藥卷。錨索三花布置，錨索間距1925mm，排距1600mm。錨索規(guī)格為φ21.8×4300mm，采用一卷CK23120藥卷。

4．沿空留巷加強(qiáng)支護(hù)

長(zhǎng)度2.4m為大柈護(hù)幫作梁，單體支柱作腿，平行巷道與頂板鋼帶垂直布置，大柈護(hù)幫下布置雙排鉸接頂梁，實(shí)行一梁兩柱，柱距0.6m，鉸接頂梁平行巷道方向布置。布置在巷道中部，兩排鉸接頂梁間距為1.2~1.6m。每排支護(hù)要打齊、打直，在大柈護(hù)幫與頂板鋼帶交匯處打單體支柱，單體支柱與大柈護(hù)幫垂直且配有防倒鏈，確保防倒鏈扎實(shí)有效。

三、原位沿空留巷充填設(shè)備與工藝

巷內(nèi)充填隨回采工作面的推進(jìn)而間續(xù)逐段實(shí)施，其作用與工作面后方沿空留巷側(cè)向頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律密切相關(guān)。頂板前期活動(dòng)規(guī)律以旋轉(zhuǎn)下沉為主，來(lái)壓強(qiáng)度較小，充填體的作用力主要是平衡巷道上方直接頂及其懸臂部分巖層的重量。同時(shí)，為保持巷道頂板的完整性，增加直接頂?shù)姆€(wěn)定能力，要求充填體與巷內(nèi)支護(hù)共同作用，保持直接頂與基本頂?shù)木o貼。而原位充填的充填工藝，使充填速度加快，更好地為充填體提供了支撐。下幫安裝H型桿體可拉伸錨桿，再施工頂錨桿。頂板錨桿安裝完成8小時(shí)之后，可撤除臨時(shí)支架。

充填采用ZZTM2×6400/21/ 35H型液壓充填模板支架，前移機(jī)械立模，通過(guò)四根立柱支撐頂梁，主要承受頂板的垂直壓力；通過(guò)掩護(hù)梁及前、后連桿與底座各自鉸接構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，來(lái)承受支架所承受的水平力和側(cè)向力；底座設(shè)有抬底座裝置；前梁帶有伸縮梁和護(hù)幫梁；頂梁設(shè)有側(cè)護(hù)板，保護(hù)性能好，支架縱橫穩(wěn)定性強(qiáng)。支架后部設(shè)置有后頂梁，可通過(guò)后面兩根立柱支撐，起臨時(shí)支護(hù)作用。支架各構(gòu)件之間及結(jié)構(gòu)件與液壓元件均通過(guò)銷(xiāo)軸、螺栓等連接，管路連接采用快速接頭、U型卡，拆裝維護(hù)方便。

四、巷道錨桿受力觀測(cè)結(jié)果與分析

監(jiān)測(cè)錨桿受力是巷道礦壓監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。通過(guò)監(jiān)測(cè)支護(hù)體受力大小與分布，可全面地了解錨桿工作狀況，判斷錨桿是否發(fā)生屈服和斷裂，評(píng)價(jià)巷道圍巖的穩(wěn)定性與安全性，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)是否合理。

觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，2106綜采工作面巷道錨桿受力規(guī)律如下：實(shí)體煤幫處頂錨桿的最大荷載為5kN，幫錨桿最大荷載為24kN，平均荷載為16kN，充填體處頂錨桿最大荷載為8kN。因充填體支護(hù)及時(shí)，頂板所受垂直應(yīng)力較小，所以頂錨桿荷載比較低。同時(shí)，由于充填體變形相對(duì)較大，實(shí)體煤幫承受較大的應(yīng)力，因此幫錨桿平均荷載相對(duì)較大，但在沿空留巷期間充填帶頂錨桿和幫錨桿還未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，充分表明錨桿還有較大的承載空間。

五、結(jié)論

1.整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中，巷道頂板下沉速度較低，頂板主要礦壓顯現(xiàn)為破碎巖塊兜冒現(xiàn)象。頂板良好的變形控制得益于掘進(jìn)期間錨帶網(wǎng)索組合支護(hù)技術(shù)對(duì)頂板的控制，以及沿空留巷期間巷內(nèi)單體支柱輔助加強(qiáng)的措施。

2.2106綜采工作面綜采原位沿空留巷技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)證實(shí)，該支護(hù)設(shè)計(jì)能夠有效控制綜采大斷面原位沿空留巷的強(qiáng)烈變形，提高了圍巖的穩(wěn)定性，有效抑制頂?shù)装濉蓭偷淖冃?。在整個(gè)服務(wù)期間，巷道經(jīng)歷了掘進(jìn)影響期、掘進(jìn)穩(wěn)定期、采動(dòng)影響期三個(gè)階段，工作面的回采對(duì)巷道圍巖變形的影響最為嚴(yán)重，但頂?shù)装逑鄬?duì)總移近量634mm，兩幫相對(duì)移近量?jī)H423mm，沿空留巷穩(wěn)定后巷道最終斷面面積大于10m2，滿足了支護(hù)要求，綜采大斷面原位沿空留巷支護(hù)應(yīng)用取得了初步的成功，為以后同類(lèi)巷道的支護(hù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（作者單位：冀中能源峰峰集團(tuán)小屯礦）

（責(zé)任編輯：周瓊）