綜采工作面過順槽空巷煤柱回收技術(shù)

荊鴻飛

(西山煤電(集團(tuán))公司鉆探分公司，山西 太原 030053)

回收煤柱綜采工作面過空巷、交叉空巷技術(shù)是影響煤柱回收施工的關(guān)鍵。在工程實(shí)際中，較常采用木垛、密集支柱等支護(hù)空巷頂板或調(diào)整工作面與空巷角度來解決綜采工作面過空巷問題。隨著采煤工藝的發(fā)展，采用錨桿錨索等主動(dòng)支護(hù)［1－4］手段逐漸成為解決工作面過空巷的一種有效方法。

宏景塔一礦井田中東部區(qū)域已回采完畢，為了回收大巷護(hù)巷煤柱，布置了6－2113工作面。該工作面為大采高孤島工作面，推進(jìn)過程中通過交叉空巷，因此，采用一種安全有效的過空巷技術(shù)成為施工中亟待解決的問題。

為得到工作面過空巷時(shí)頂板穩(wěn)定性特性，依據(jù)該礦6－2113工作面的實(shí)際情況，建立了工作面過空巷的物理模型及力學(xué)模型，推導(dǎo)了工作面頂板穩(wěn)定性的判別條件，并根據(jù)施工實(shí)際，提出了工作面合理推過空巷的支護(hù)技術(shù)措施。

1 工作面概況

宏景塔一礦6－2113工作面的作用是回收井田中東部區(qū)域的大巷護(hù)巷煤柱。該工作面北鄰東回風(fēng)大巷、南鄰原一采區(qū)采空區(qū)，平面布置見圖1。工作面可采長度為1010 m，工作面長度172 m，主采煤層的厚度為4.1～5.4 m，普氏硬度系數(shù)為4，頂?shù)装鍘r層分布情況見表1。工作面采用長壁后退式全部跨落法綜合機(jī)械化采煤。

在回收105主運(yùn)順槽和107輔運(yùn)順槽兩巷間15 m寬煤柱過程中，該工作面平行通過6條空巷、垂直推進(jìn)1條空巷(東輔運(yùn)大巷)。依據(jù)文獻(xiàn)［5－7］可知:在工作面采動(dòng)過程中，影響空巷與工作面圍巖穩(wěn)定性的因素主要有:性質(zhì)煤層埋深、煤厚、采高、巷寬、煤柱尺寸、煤巖物理以及巷道支護(hù)情況等。該工作面的頂、底板巖層賦存特性及其物理指標(biāo)見表1。

2 過空巷基本頂穩(wěn)定性分析

2.1 過空巷基本頂力學(xué)模型

為分析工作面過空巷時(shí)頂板穩(wěn)定性狀況，本文依據(jù)頂板覆巖運(yùn)動(dòng)理論，建立了工作面過空巷頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，見圖2。

表1 頂?shù)装鍘r層賦存特性及力學(xué)參數(shù)表

圖2 工作面過空巷頂板結(jié)構(gòu)圖

圖2中，①、②、③為基本頂破斷后形成的塊體。由空巷基本頂破斷特征分析可知，巖塊②作為影響工作面安全通過空巷的關(guān)鍵塊體，其長度為工作面周期來壓步距。對(duì)空巷圍巖力學(xué)模型簡化處理［1］:巖塊①、②、③形成鉸接結(jié)構(gòu)。巖塊②之上的軟弱巖層與其上部硬巖層離層，失去力的傳遞，軟弱巖層可視為作用于其上的載荷?？障镏ёo(hù)阻力及工作面支護(hù)阻力通過頂煤及直接頂對(duì)巖塊②作用。

為了推導(dǎo)基本頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性條件，在巖層梁結(jié)構(gòu)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用多跨梁理論對(duì)頂板結(jié)構(gòu)受力分析，將多跨梁分解為斜簡支梁和懸臂梁兩部分，得到基本頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性力學(xué)模型，見圖3。

圖3 工作面過空巷基本頂力學(xué)模型

如圖3所示，F(xiàn)1、F2為兩煤柱實(shí)際支護(hù)力;K1、K2為兩煤柱的等效彈性系數(shù);Fs1、Fs2為兩煤柱的等效極限支撐力，P1、P2為兩空巷對(duì)頂板的支撐力;q＇為懸臂梁模型上基本頂受到的等效載荷，q為斜簡支梁模型上基本頂受到的等效載荷。

依據(jù)靜力學(xué)平衡理論，建立基本頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性約束條件，對(duì)6－2113工作面過空巷基本頂力學(xué)模型進(jìn)行分析，推導(dǎo)維持基本頂穩(wěn)定的巷道支護(hù)力公式。實(shí)際支護(hù)力可用文獻(xiàn)［8］中給出公式計(jì)算:

式中:

C1、C2、C3、C4—分別為 K1的函數(shù);

B1、B2、B3、B4—分別為 K2的函數(shù);

D—關(guān)于(K1，K2)的函數(shù)。

煤柱Ⅰ、Ⅱ的彈性系數(shù)計(jì)算公式為:

式中:

E—煤柱的彈性模量;

X1、X2—分別為煤柱Ⅰ、Ⅱ的寬度。

煤體Ⅰ和Ⅱ的極限承載力計(jì)算公式為:

式中:

RC—煤的抗壓強(qiáng)度。

6－2113工作面采高5 m、直接頂厚度3.7 m、直接頂破碎殘余膨脹系數(shù)為1.08、E為900 MPa，X1為50 m，q＇、q 由關(guān)鍵層理論中基本頂受力［6］可得為7.195 MPa、0.187 MPa。代入各參數(shù)可得，X2的極限值為18.3 m，表明當(dāng)工作面推至煤柱寬度小于18 m時(shí)，兩煤柱處于彈性階段，能支撐頂板的壓力維持穩(wěn)定;當(dāng)推進(jìn)到18 m時(shí)，煤柱發(fā)生壓碎。

2.2 數(shù)值模擬分析

為了直觀分析工作面過空巷前圍巖特征，采用了二維數(shù)值離散單元法分析圍巖位移特征。模型的走向長為280 m，為了消除邊界影響，兩側(cè)各留19.5 m長的保護(hù)煤柱，各巖層均為水平巖層，左右邊界為水平位移約束條件。垂直高度由底板、煤層、直接頂、老頂以及軟巖五層構(gòu)成，采高為4 m。模型上表面施加10 MPa的均布力，下邊界為鉛垂位移約束邊界條件。建立的工作面臨近空巷時(shí)圍巖的破壞區(qū)域分布及老頂結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 工作面采動(dòng)中空巷圍巖破壞區(qū)域分布圖

由圖4可知，工作面開采后方為采空區(qū)，頂板全部垮落，符合基本頂力學(xué)模型。值得注意的是，工作面距空巷約35 m處空巷頂板明顯下沉。

為了反映在不同開采工藝條件下工作面附近煤層的穩(wěn)定性狀態(tài)，在建立工作面數(shù)值計(jì)算模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了關(guān)于空巷頂－底移近量與控頂距、采高的模擬仿真試驗(yàn)。該模型長100 m、寬20 m、高103 m，上邊界面施加上覆巖層自重的均布?jí)毫χ?0 MPa;其余5個(gè)邊界面固定法向位移。為簡化計(jì)算，假設(shè)初始應(yīng)力場(chǎng)亦為自重應(yīng)力場(chǎng)，完成初始應(yīng)力場(chǎng)平衡后，進(jìn)行施工開采模擬仿真試驗(yàn)。該數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)考慮了控頂距和采煤機(jī)采高兩個(gè)因素，共設(shè)計(jì)12個(gè)試驗(yàn)方案，對(duì)應(yīng)參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案表

根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)得到空巷距工作面35 m時(shí)，關(guān)于控頂距、采高與空巷頂－底移近量關(guān)系，見圖5。當(dāng)其他條件相同時(shí)，采高越大、控頂距越大，對(duì)應(yīng)的空巷頂－底移近量也越大。當(dāng)采高為6 m、控頂距為12 m時(shí)，空巷頂－底移近量最大為0.27 m。值得注意的是，比較采高和控頂距對(duì)空巷頂－底移近量的變化率可知，采高比控頂距對(duì)空巷頂－底移近量的影響程度大。

圖5 工作面控頂距、采高與空巷頂－底移近量關(guān)系圖

由以上分析可知，工作面超前支撐壓力影響區(qū)覆蓋空巷前，應(yīng)先降低工作面的采高和控頂距，以減小頂板下沉量。隨著工作面推進(jìn)，煤柱對(duì)頂板提供的支撐力越來越小。當(dāng)煤柱和巷道提供的支護(hù)力不足以維持基本頂穩(wěn)定時(shí)，基本頂將下沉垮落。由于基本頂垮落是一動(dòng)態(tài)過程，將在工作面附近產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象，這表現(xiàn)為礦壓顯現(xiàn)劇烈。

3 過空巷支護(hù)技術(shù)措施

為了避免工作面前方煤柱和頂板壓力過大而造成頂板冒落和漏頂?shù)痊F(xiàn)象，可以采用工作面提前調(diào)斜技術(shù)，控制空巷和工作面之間煤柱的寬度，使工作面之間前方的空頂區(qū)域控制在一個(gè)比較小的范圍。此外，降低采高也有助于減小頂板垮落和下沉高度。根據(jù)以上分析及生產(chǎn)實(shí)際，確定工作面過空巷采用以下綜合技術(shù):工作面提前調(diào)斜、降低采高，對(duì)空巷提前進(jìn)行錨網(wǎng)加強(qiáng)支護(hù)，以及工作面臨近空巷采用液壓支柱補(bǔ)強(qiáng)。

3.1 頂板支護(hù)方法

原有巷道支護(hù)方式為錨桿支護(hù)，錨桿間排距為1000 mm×1200 mm，錨桿規(guī)格為d16 mm×1800 mm。為防止工作面過空巷時(shí)，頂板漏、冒，對(duì)該處頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，見圖6。其支護(hù)方式為:掛網(wǎng)、支護(hù)錨索、吊梁錨索、礦用11#工字鋼梁以及在工字鋼梁下打設(shè)液壓單體支柱的聯(lián)合支護(hù)方法。頂板支護(hù)流程為:掛網(wǎng)—支護(hù)錨索—吊梁錨索—打設(shè)液壓單體支柱。

圖6 空巷加強(qiáng)支護(hù)圖

頂板破碎深度大的區(qū)域可以考慮斜打錨索(見圖7)，由于錨索錨固段無法錨進(jìn)堅(jiān)硬巖層，因此，應(yīng)使錨索傾斜錨固，使錨索錨固段深入煤體上方頂板完整度較好部位，以期望得到穩(wěn)定的錨固效果。

圖7 頂板破碎深度大條件下錨索支護(hù)示意圖

3.2 支護(hù)材料規(guī)格

支護(hù)材料應(yīng)按以下要求安設(shè):

1)鐵絲網(wǎng)規(guī)格:1400 mm×5600 mm，網(wǎng)格:50 mm×50 mm。

2)吊網(wǎng)錨桿規(guī)格:d16 mm×1200 mm圓鋼錨桿。

3)錨桿鐵托板規(guī)格:120 mm×120 mm×8 mm。

4)聯(lián)網(wǎng)鐵絲:14#鐵絲。

5)錨索規(guī)格:1×7－d15.24 mm ×8500 mm，極限拉斷力不小于270 kN，延伸率不大于3%。

6)錨索鐵托板規(guī)格:300 mm×300 mm×16 mm。

7)樹脂錨固劑:CK2360型。

8)工字鋼梁:礦用11#工字鋼，雙梁并排焊接，長度根據(jù)實(shí)際巷道寬度定。

9)液壓單體支柱規(guī)格:DWQ38－250/110。

3.3 技術(shù)要求

良好的技術(shù)施工是巷道和工作面穩(wěn)定的保證。為工作面順利通過空巷，施工應(yīng)按以下要求操作:

1)鐵絲網(wǎng)聯(lián)接要求。鐵絲網(wǎng)長邊與巷道中心線垂直鋪設(shè)，不漏網(wǎng)、不卷網(wǎng)，鋪平鋪展。搭接寬度為200 mm(4孔)，使用14#鐵絲每200 mm(4孔)聯(lián)一扣，擰緊聯(lián)牢。掛網(wǎng)錨桿間排距:2200 mm×1200 mm(巷道原有錨桿支護(hù)，此錨桿僅為掛網(wǎng)錨桿)，外露30～50 mm，錨固力不小于50 kN，扭距力不小于100 N·m。

2)掛網(wǎng)支護(hù)完成后，對(duì)頂板進(jìn)行錨索支護(hù)。錨索沿巷道中心線兩側(cè)等距均勻布置，間排距:2000 mm×2000 mm。每根錨索使用3根CK2360型樹脂錨固劑。錨索外露200～350 mm，錨固力不小于200 kN。

3)錨索支護(hù)完成后，對(duì)頂板進(jìn)行吊鋼梁支護(hù)。吊鋼梁錨索規(guī)格1×7－d15.24 mm×8500 mm，每根鋼梁打設(shè)2根吊梁錨索，每根錨索使用3根CK2360型樹脂錨固劑。工字鋼梁長度要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制作，間距為875 mm。吊掛時(shí)工字鋼梁兩端要頂住兩幫煤壁，緊貼頂板，空隙處要使用木板充填嚴(yán)實(shí)。錨索外露200～350 mm，錨固力不小于200 kN。

4)鋼梁吊裝完后，再使用單體液壓支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。單體液壓支柱在工字鋼梁下打設(shè)，柱距1000 mm。液壓單體支柱與工字鋼梁之間要墊加木板，防止液壓單體支柱滑倒，確保液壓單體支柱與鋼梁垂直，打設(shè)液壓單體支柱初撐力不小于11.46 MPa。

5)單體液壓支柱打設(shè)完成后，對(duì)吊掛鋼梁錨索逐根進(jìn)行檢查，重新緊固。液壓單體支柱補(bǔ)液與張拉錨索重復(fù)幾次，保證錨索、液壓單體支柱達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 過空巷安全技術(shù)措施

4.1 通過方法

過空巷采用了降低采高(工作面與空巷貫通時(shí)工作面采高與空巷高度一致)，斜交(工作面與空巷成2.5°～3°夾角，機(jī)頭超前機(jī)尾 8 ～10 m，從機(jī)頭向機(jī)尾逐架貫通和通過)的方法，具體措施如下。

1)在調(diào)整工作面機(jī)頭超前機(jī)尾時(shí)，要做到運(yùn)輸機(jī)不串頭、不串尾，保證采煤機(jī)割通兩順槽三角煤，保證兩安全出口暢通。

2)距空巷25 m時(shí)，要由外向里逐架、逐根檢查空巷內(nèi)液壓單體支柱支護(hù)情況，對(duì)自動(dòng)卸載、彎曲變形的液壓單體支柱及時(shí)更換，并逐根重新升緊在用液壓單體支柱(重新拉緊錨索)，保證支護(hù)質(zhì)量。

3)距空巷20 m時(shí)，工作面開始調(diào)整采高，距空巷5 m時(shí)調(diào)整為3.9 m，確保工作面采高與空巷高度保持一致，頂、底平整，并順利貫通。

4)主運(yùn)順槽機(jī)頭硐室與東主運(yùn)大巷交叉處要根據(jù)支護(hù)高度提前8 m二次進(jìn)行調(diào)整采高，距維護(hù)處1 m時(shí)，割煤要慢，防止割到支護(hù)用11#礦用工字鋼棚。

5)與空巷貫通后，支架工要采取“少降快拉、拉過即可”的方式及時(shí)將支架拉出或?qū)⒅Ъ茏o(hù)幫板伸出，拉架時(shí)，不得損壞液壓單體支柱，支架初撐力達(dá)到規(guī)定要求。

4.2 回柱方法

回柱是在工作面內(nèi)回收空巷一個(gè)循環(huán)內(nèi)的液壓單體支柱。當(dāng)割通空巷的液壓支架頂梁挑住工字鋼300 mm以上后，方可從機(jī)頭向機(jī)尾進(jìn)行回收。

回收時(shí)，必須閉鎖運(yùn)輸機(jī)，停止采煤機(jī)作業(yè);要檢查所回收液壓單體支柱鄰近有無損壞或自動(dòng)卸載液壓單體支柱，對(duì)損壞或自動(dòng)卸載的液壓單體支柱要及時(shí)更換。回收時(shí)還必須觀察頂板及周圍情況。

5 結(jié)論

依據(jù)宏景塔一礦6－2113工作面的實(shí)際情況，過空巷基本頂力學(xué)模型，對(duì)6－2113工作面過空巷的穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算;設(shè)計(jì)了模擬仿真試驗(yàn)方案，得到了工作面過空巷頂－底移近量與工作面采高、控頂距的關(guān)系。

在理論分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)宏景塔一礦6－2113工作面的生產(chǎn)實(shí)際，提出了工作面過空巷時(shí)加強(qiáng)支護(hù)方法及具體施工措施，并在該工作面進(jìn)行應(yīng)用，取得較好效果，為大采高工作面過空巷回收煤柱提供了借鑒。

［1］柏建彪，侯朝炯.空巷頂板穩(wěn)定性原理及支護(hù)技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(1):8－11.

［2］孔明俊.回采工作面過空巷技術(shù)研究和應(yīng)用［J］.建井技術(shù)，2012，33(4):34－36.

［3］R.N.Singh，I.Porter，J.Hematian.Finite element analysis of three － way roadway junctions in longwall mining［J］.International Journal of Coal Geology，2001，45(1):121 －125.

［4］溫慶華，周海豐.大采高綜采工作面過空巷關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.煤炭工程，2009(1):54－56.

［5］趙 斌.高檔工作面過空巷的技術(shù)方法［J］.煤炭技術(shù)，2008，27(10):23－25.

［6］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2002:112－117.

［7］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003:157－161.

［8］牛少卿.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術(shù)研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2011:47－53.