大傾角薄煤層綜采沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

魏有貴，王俊超，羅代洪，任 偉，陳長(zhǎng)江

(1.四川廣旺能源發(fā)展(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000； 2.四川廣旺集團(tuán) 代池壩煤礦，四川 廣元 628000)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

大傾角薄煤層綜采沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

魏有貴1,2，王俊超2，羅代洪2，任 偉2，陳長(zhǎng)江2

(1.四川廣旺能源發(fā)展(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000； 2.四川廣旺集團(tuán) 代池壩煤礦，四川 廣元 628000)

目前，沿空留巷技術(shù)在緩傾斜中厚煤層開采中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而在大傾角薄煤層開采應(yīng)用中具有一定的難度。以31342運(yùn)輸巷為例，結(jié)合其地質(zhì)賦存狀況以及周邊類似礦井沿空護(hù)巷經(jīng)驗(yàn)，在回采過(guò)程中采用工作面堆碼沙袋+9#工字鋼組合抬梁+“L”型鋼筋網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行沿空留巷；同時(shí)利用單體液壓支柱+鉸接頂梁對(duì)超前缺口以及機(jī)巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，減少了軟弱頂板對(duì)作業(yè)人員的安全威脅，保障了施工安全。工程實(shí)踐證明，該技術(shù)能夠較好地控制機(jī)巷的圍巖變形，保證其圍巖穩(wěn)定性，滿足上風(fēng)巷需要，同時(shí)具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

大傾角薄煤層；沿空留巷；超前缺口；支護(hù)

沿空留巷技術(shù)目前在緩傾斜煤層開采中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，而在大傾角薄煤層中成功應(yīng)用案例則較少。沿空護(hù)巷不僅能夠較大程度地緩解采掘接替壓力，而且還能大幅度減少開采成本[1-3]. 然而，在大傾角煤層開采中，由于傾角大，煤層頂?shù)装迩闆r復(fù)雜，沿空護(hù)巷難度較大。因此，如何成功在大傾角薄煤層中進(jìn)行沿空護(hù)巷技術(shù)成為了研究重點(diǎn)，也是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 地質(zhì)賦存條件

3(13)42工作面位于+320 m水平304采區(qū)，開采標(biāo)高為+525～+425 m，工作面平均傾斜長(zhǎng)度為155 m，走向長(zhǎng)900 m. 工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷均為順煤層走向布置的半煤巷，工作面運(yùn)輸巷為機(jī)軌合一布置。3(13)42工作面對(duì)應(yīng)地面是代池壩井田內(nèi)坎上灣，地面標(biāo)高+870～+1 019 m，工作面埋深平均達(dá)到500余m,地應(yīng)力在13.0 MPa左右。根據(jù)306采區(qū)13#煤層賦存狀況，3(13)42工作面向東往306采區(qū)延伸了300 m.

3(13)42工作面范圍內(nèi)13#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸層數(shù)多，煤質(zhì)偏硬。該煤層為單斜構(gòu)造，走向近于東西，煤層傾角變化不大，一般為38°～40°，平均39°，煤層總厚均為1.98 m，純煤厚均為0.86 m，厚度穩(wěn)定，屬不穩(wěn)定煤層；偽頂為泥巖厚0.2 m；直接頂為灰色薄層狀粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖厚1.75 m；基本頂由砂巖及上覆泥巖組成,平均厚3.75 m,普氏系數(shù)7.5；直接底為炭質(zhì)泥巖,平均厚8.52 m,普氏系數(shù)3. 受斷層破碎帶和背斜褶曲的影響,地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。煤層柱狀圖見(jiàn)圖1.

圖1 304采區(qū)13#煤層綜合柱狀圖

2 沿空留巷技術(shù)方案

2.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)3(13)42工作面實(shí)際地質(zhì)賦存狀況以及回采時(shí)機(jī)巷不用正規(guī)端頭支架，采用簡(jiǎn)易端頭支架前提下，設(shè)計(jì)以下兩種方案。

方案一：工作面內(nèi)留設(shè)頂煤+砌磚墻(垂直于頂?shù)装?+工字鋼錨索抬梁+單體支柱+“L”型鋼筋網(wǎng)+預(yù)裂爆破。

方案二：工作面內(nèi)留設(shè)頂煤+堆碼沙袋(垂直于頂?shù)装?+工字鋼錨索抬梁+單體支柱+“L”型鋼筋網(wǎng)。

2.2 方案說(shuō)明

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際以及3(13)42工作面回采要求，對(duì)設(shè)計(jì)方案分析說(shuō)明如下：

方案一：31342機(jī)巷內(nèi)采用9#工字鋼抬梁+錨索+單體支柱支護(hù),工作面采用淺孔爆破強(qiáng)制放頂。工作面做超前于煤壁2.4 m的超前缺口，缺口范圍內(nèi)采用單體支柱+鉸接頂梁支護(hù)，排距1 000 mm，再在工作面尾端打設(shè)走向與傾向兩排密集支柱；機(jī)巷內(nèi)采用9#工字鋼抬梁+錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，抬梁長(zhǎng)4 000 mm，一根抬梁上施工2根錨索，錨索間距1 500 mm,排距1 000 mm；滯后傾向密集支柱不小于2 400 mm砌墻，墻子垂直于頂?shù)装?，厚?00 mm，高度1 200 mm.緊貼墻子后方打設(shè)1排單體支柱，支柱間距為1 000 mm.

方案二：31342機(jī)巷內(nèi)采用9#工字鋼抬梁+錨索+單體支柱支護(hù),工作面堆碼沙袋緩解頂板下沉。工作面做超前于煤壁2.4 m的超前缺口，缺口范圍內(nèi)采用單體支柱+鉸接頂梁支護(hù)，排距1 000 mm；再在工作面尾端打設(shè)走向與傾向兩排密集支柱；機(jī)巷內(nèi)采用9#工字鋼抬梁+錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，抬梁長(zhǎng)4 000 mm，一根抬梁上施工2根錨索，錨索間距1 500 mm,排距1 000 mm；滯后傾向密集支柱不小于2 400 mm鋪設(shè)沙袋，沙袋垂直于頂?shù)装?，高? 200 mm，寬度3 000 mm；同時(shí)在沙袋與頂板空隙之間注漿，再在沙袋后方施工鋼筋網(wǎng)，緊貼后方打設(shè)1排單體支柱，支柱間距為1 000 mm.

2.3 方案比較

1) 安全技術(shù)比較。

安全技術(shù)比較見(jiàn)表1.

表1 安全技術(shù)比較表

2) 經(jīng)濟(jì)比較。

方案一費(fèi)用包括工字鋼費(fèi)用+運(yùn)輸費(fèi)用+人工費(fèi)用+單體支柱鉸接頂梁租賃費(fèi)+混凝土墻塊砌筑費(fèi)；方案二費(fèi)用包括工字鋼棚費(fèi)用+沙袋堆碼費(fèi)用+人工費(fèi)用+單體支柱鉸接頂梁租賃費(fèi)。其中，工字鋼、單體支柱以及人工費(fèi)用基本一致，僅需比較混凝土墻塊費(fèi)用以及矸石袋費(fèi)用，經(jīng)過(guò)測(cè)算單米砌墻塊費(fèi)用為422.5元，堆碼矸石袋費(fèi)用為257.5元。故相同情況下堆碼矸石袋費(fèi)用相比砌墻塊要少165元。

綜合分析安全技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，方案二技術(shù)成熟，操作方便，同時(shí)可以保證現(xiàn)場(chǎng)安全，經(jīng)濟(jì)上又比方案一花費(fèi)少，故選擇方案二：工作面內(nèi)留設(shè)頂煤+堆碼沙袋(垂直于頂?shù)装?+工字鋼抬梁+單體支柱+“L”型鋼筋網(wǎng)。

3 沿空護(hù)巷參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 工字鋼抬梁排距確定

機(jī)巷內(nèi)采用9#工字鋼抬梁+錨索及單體支柱聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù),整個(gè)機(jī)巷內(nèi)上覆巖層(含塑性區(qū)及機(jī)巷寬度)最終由煤體、工字鋼錨索抬梁、單體支柱及兩幫底板反作用組成,工字鋼錨索組合梁巷+單體支柱支護(hù)強(qiáng)度必須保證煤體塑性區(qū)及機(jī)巷寬度范圍內(nèi)上覆巖層的穩(wěn)定性[4，5]. 根據(jù)裂隙帶巖層運(yùn)動(dòng)影響下的頂板活動(dòng)規(guī)律,可將巷道上方的上覆巖層當(dāng)成是一端固支在煤壁里的懸臂梁，作為簡(jiǎn)支梁研究。這里假設(shè)：煤體邊緣的塑性區(qū)寬度為S,則上覆巖層沿巷道走向單米長(zhǎng)度的壓力Q為[6]：

式中:

B—巷道寬度，m，取3.8；

S—煤體邊緣的塑性區(qū)寬度，m，取0.1；

h—直接頂厚，m，取1.8；

γ—頂板巖石密度，t/m3，取2.6；

m—區(qū)段平巷高度，m，取2.8；

A—側(cè)壓系數(shù),取0.28；

φ—煤體內(nèi)摩擦角，(°)，取30；

C煤—煤體黏聚力，MPa，取2.2；

C頂—頂板巖石黏聚力, MPa，取5.5；

k—應(yīng)力集中系數(shù),取3.0；

H—巷道埋藏深度，m，取550；

γ均—巖層平均容重，kN/m3，取2 300.

將上述參數(shù)代入得Q=113.9 kN,每組抬梁的支撐力P取250 kN,則組合梁的間距L=P/(nQ)=1.09 m,其中n為安全系數(shù),取2.如果選擇梯組合梁的間距L=1.0 m,則n=P/(QL)=2.19>2,可保證安全。

3.2 沙袋堆碼寬度

為進(jìn)一步有效確定沙袋堆碼寬度，根據(jù)13#煤地質(zhì)賦存條件,利用flac3D模擬軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬測(cè)算；同時(shí)結(jié)合回采工藝,在機(jī)巷內(nèi)采用9#工字鋼錨索組合梁支護(hù)情況下,數(shù)值模擬了沙袋寬度分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時(shí)巷道圍巖變形破壞情況,從而確定合理的沙袋寬度。具體圍巖變形分布情況見(jiàn)圖2，圖3.

從圖2，圖3可以看出,底板應(yīng)力集中點(diǎn)在巷道底角,不同沙袋寬度不會(huì)影響應(yīng)力集中的范圍與大小,僅僅增加了沙袋下方底板的應(yīng)力集中范圍；從圖2可以看出明顯的內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng),沙袋寬度2 m時(shí),上方覆巖應(yīng)力集中系數(shù)最大,沙袋寬度達(dá)3 m以上應(yīng)力集中程度下降,并隨著沙袋寬度增加基本保持不變的狀態(tài)。因此，根據(jù)圍巖變形以及應(yīng)力集中分布情形分析看，沙袋寬度選擇3 m較為合適，既能控制圍巖變形，又可以盡量減小應(yīng)力集中范圍。

3.3 沿空留巷工藝

根據(jù)以上對(duì)沿空留巷巷內(nèi)和巷旁支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，確定具體留巷工藝:

機(jī)巷內(nèi)采用9#工字鋼錨索組合梁抬梁作為基本支護(hù),排距1 000 mm,抬梁長(zhǎng)4 000 mm,每組抬梁施工兩根錨索，間距1 500 mm；工作面回采后及時(shí)在后方2 400 mm堆碼沙袋，后隨著工作面不斷向前推進(jìn)而堆碼,沙袋寬度3 m；組合梁施工好后,在組合梁緊貼巷道上幫方向打1排單體液壓支柱,進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),支柱型號(hào)為DZ-25,柱距為1.0 m,隨工作面不斷向前推進(jìn),在工作面后方60～100 m開始循環(huán)回撤加強(qiáng)支柱。巷道支護(hù)見(jiàn)圖4.

圖4 機(jī)巷護(hù)巷圖

4 護(hù)巷效果及經(jīng)濟(jì)效益

4.1 機(jī)巷護(hù)巷后成型以及斷面收縮量

沿空留巷技術(shù)實(shí)施后，礦井對(duì)機(jī)巷圍巖變形進(jìn)行了實(shí)測(cè)。經(jīng)3個(gè)月連續(xù)監(jiān)測(cè)，頂?shù)装逡平績(jī)H有300 mm，兩幫移近量為400 mm，整個(gè)斷面收縮率控制在12%，且成型也較好，滿足了下一工作面風(fēng)巷的運(yùn)輸安裝通風(fēng)需要。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

在31342工作面實(shí)施后，經(jīng)濟(jì)效益主要包括：沿空留巷費(fèi)用、新掘風(fēng)巷費(fèi)用、煤柱回收利潤(rùn)。沿空留巷費(fèi)用為1 368元/m,新掘半煤巷費(fèi)用為1 923元/m,采用沿空留巷比掘進(jìn)每米巷道節(jié)省555元,回收煤柱利潤(rùn)為5 184元/m. 從上述數(shù)據(jù)分析可以看出：采用沿空護(hù)巷方式相比傳統(tǒng)留煤柱方式多增加效益5 739元/m，按照機(jī)巷880 m測(cè)算，增加經(jīng)濟(jì)效益為505萬(wàn)元,同時(shí)大幅提高了資源回收率。

5 結(jié) 論

根據(jù)地質(zhì)賦存狀況，通過(guò)方案設(shè)計(jì)以及經(jīng)濟(jì)比較，確定了沿空護(hù)巷方案的參數(shù)，且工程實(shí)踐也取得了預(yù)期目標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益，得出以下結(jié)論：

1) 減少了臨近工作面對(duì)31344工作面煤體上方應(yīng)力集中，利于后期回采。

2) 減小了礦井采掘比，提高了回采效率，進(jìn)一步降低了回采成本，緩解了采掘接替壓力。

3) 由于沿空護(hù)巷未重新施工巷道，避免了留設(shè)煤柱引發(fā)的沖擊地壓、瓦斯突出、自燃等災(zāi)害。

4) 沿空留巷新技術(shù)在31342工作面實(shí)施后，減少煤柱損失38 000 t，增加收入456萬(wàn)元；提高了回采效率，由以前12 t/工增加至37 t/工；減少施工回采巷道2 000 m，節(jié)省成本384.6萬(wàn)元；簡(jiǎn)化了工作面端頭維護(hù)工作量，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有一定的安全、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張 適.深部薄煤層雙側(cè)沿空留巷支護(hù)技術(shù)及巷旁支護(hù)材料研究[D].重慶:重慶大學(xué).

[2] 呂建華.大傾角煤層錨網(wǎng)支護(hù)巷道沿空留巷技術(shù)探索[J].煤炭工程,2013,23(1):35-38.

[3] 姚 永，謝紹成，陳永新.錨索梁支護(hù)技術(shù)在薄煤層綜采沿空留巷技術(shù)實(shí)踐[J].山東煤炭科技,2014(11):115-118.

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[5] 馬立強(qiáng),張東升,陳 濤,等.綜放巷內(nèi)充填原位沿空留巷充填體支護(hù)阻力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(3):544-550.

[6] 李 飛.大傾角薄煤層復(fù)合頂板沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用[J].煤炭科技,2014(2):22-28.

Research and Application of Fully Mechanized Coal Mining Gob-side Entry Retaining Technology in Deep Inclined Thin Coal Seam

WEI Yougui, WANG Junchao, LUO Daihong, REN Wei, CHEN Changjiang

Currently the technology of gob-side entry retaining has been widely used in the development of gently inclined medium thick coal seam, and it has certain difficulty in the mining of thin dip coal seam. Taking the 31342 transportation lane as an example, considering its geologic condition and the experience in similar coal mines, stacking sandbag plus No.9 steel I-beam together with L shape technology net in the working face are applied on the roadway along the goaf in the process of mining meanwhile, the use of single hydraulic pillar plus hinged roof beam improves support for lead gap and the equipment roadway, reduces the safety risk in weak roof. The engineering practice proves that this technology can contain the deformation of the surrounding rock of the roadway, and guarantee the stability of the surrounding rock, meet the needs of the ventilation tunnel, and also have certain social and economic benefits.

Deep inclined thin coal seam; Gob-side entry retaining; Gap in advance; Support

2016-07-31

魏有貴(1963—)，男，四川達(dá)縣人，1981年畢業(yè)于重慶煤炭工業(yè)學(xué)校，高級(jí)工程師，主要從事軟巖巷道支護(hù)以及巖層控制方面的研究工作

(E-mail)136554061@qq.com

TD263

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1672-0652(2016)09-0040-04