沿空留巷技術(shù)在綜采放頂煤工作面的研究與實(shí)踐

王晉勇,趙建康

(蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 唐安煤礦分公司，山西 晉城 048407)

沿空留巷可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開采,提高資源回采率,延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限;在高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井,可以實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng),消除回風(fēng)隅角瓦斯積聚,改善礦井安全條件;降低巷道掘進(jìn)率,減少空頂作業(yè),降低冒頂、片幫幾率,提高礦井安全生產(chǎn)水平;改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),適應(yīng)新常態(tài)。因此,積極推廣無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù),可以促進(jìn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,提高煤礦安全生產(chǎn)水平,保證國(guó)家能源戰(zhàn)略安全。

1 工程概況

唐安煤礦3313綜放工作面位于井下752水平三盤區(qū),埋深為 324 m 左右,屬于淺埋煤層;工作面2條順槽,均沿3#煤層底板布置,上、下煤層均未開采;3#煤層平均厚度6m,煤層傾角(1°～14°)/7°,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度4.95 m,老頂為細(xì)粒砂巖,厚度10 m;工作面走向長(zhǎng)度609 m,傾斜長(zhǎng)度235 m,回采推進(jìn)長(zhǎng)度497 m;采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤頂板全部垮落的采煤方法,機(jī)采高度為2.9 m±0.1 m,放頂煤高度為3.1 m。

沿空留巷選擇3313軌道運(yùn)輸順槽為試驗(yàn)巷道,并作為接替回采面的皮帶運(yùn)輸順槽進(jìn)行復(fù)用。該巷道斷面為矩形,巷道凈寬為5.6 m,凈高為3.1 m。頂板采用錨網(wǎng)索+W鋼帶聯(lián)合支護(hù)。其錨桿采用D20 mm×2 200 mm的高強(qiáng)度左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿,間、排距為0.9 m×0.9 m,頂角錨桿距幫為0.2 m,每排7根,中部5根錨桿垂直頂板布置,2根頂角錨桿分別與巷道輪廓豎直方向成20°角布置;錨索采用D22 mm×8 300 mm、1×19股鋼絞線,垂直于頂板“三·二”相間布置,間距1.8 m,排距0.9 m,當(dāng)一排布置3根錨索時(shí),靠近回采的第一根錨索距回采幫650 mm,第一根與第二根錨索采用W鋼帶組合支護(hù),鋼帶長(zhǎng)度2.4 m,型號(hào)為WD280-3。兩幫采用“錨桿+托梁+金屬菱形網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù),錨桿型號(hào)與頂錨桿相同,間、排距為0.9 m×0.9 m,每側(cè)每排布置4根,幫頂錨桿距頂250 mm、與巷道水平成20°仰角布置,其余錨桿垂直煤(巖)面布置。

2 綜采放頂煤工作面沿空留巷圍巖控制方案

2.1 綜采放頂煤工作面沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

綜采放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)明顯,在該工作面回采期間,工作面周期來(lái)壓步距為25 m～27 m。隨著沿空留巷的實(shí)施,以沿空留巷充填體為支點(diǎn),頂板上方巖層將形成大面積“懸臂梁”而無(wú)法沿充填體斷裂,使巷道頂板巖層向采空區(qū)側(cè)持續(xù)旋轉(zhuǎn)下沉、沿空留巷圍巖應(yīng)力增大并于沿空留巷內(nèi)集中顯現(xiàn),造成沿空留巷頂板下沉和底鼓,實(shí)體煤側(cè)幫鼓,充填支護(hù)體“鉆頂、鉆底”、向采空區(qū)側(cè)傾倒并發(fā)生破碎。

2.2 綜采放頂煤工作面沿空留巷圍巖控制原理

2.2.1預(yù)留巷道基本支護(hù)設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力的大斷面巷道基本支護(hù)超前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。由于綜采放頂煤工作面的特殊性,該工作面的2條順槽均沿煤層底板布置,在巷道頂部與直接頂之間有約3 m厚的煤層,為增加頂板煤、巖層的層間結(jié)合力,抑制(減緩)頂板離層和下沉,提高頂板的整體性和穩(wěn)定性,在原有高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力的大斷面巷道基本支護(hù)前提下進(jìn)行錨索超前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),使錨索的高預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散到頂板巖層中。

2.2.2超前切頂卸壓

沿空留巷超前切頂卸壓技術(shù)即沿工作面前方預(yù)留巷道采空區(qū)側(cè)布置爆破切頂鉆孔,對(duì)工作面頂板進(jìn)行超前預(yù)裂爆破,使頂板沿預(yù)定方向產(chǎn)生切縫,即切頂線;隨著工作面的不斷推進(jìn),采空區(qū)頂板周期性來(lái)壓,巷道采空區(qū)側(cè)頂板沿切縫垮落形成留巷巷幫,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)切頂卸壓沿空留巷,大大減輕采空區(qū)頂板來(lái)壓時(shí)對(duì)留巷的影響。

切頂卸壓的技術(shù)原理主要是爆破預(yù)裂頂板切斷了直接頂及基本頂?shù)膽冶?斷開了巷道頂板與采空區(qū)側(cè)頂板的聯(lián)系,減少了充填支護(hù)體承擔(dān)的巖石重力,避免了頂板巖層的持續(xù)旋轉(zhuǎn)下沉,保證了沿空留巷頂板巖層的完整性。

2.2.3巷旁支護(hù)

所謂巷旁支護(hù),是指巷道斷面范圍以外與采空區(qū)交界處所安設(shè)的一些特種類型的支架或人工隔離物,其目的是為了切斷巷道以外的采空區(qū)頂板,隔離采空區(qū)或減輕巷內(nèi)支架的受力等。沿空留巷巷旁支護(hù)的主要作用如下:

1)支撐垮落帶邊緣的頂板載荷,從而分擔(dān)和減輕巷內(nèi)支護(hù)的壓力。

2)當(dāng)直接頂比較堅(jiān)硬或頂板周期來(lái)壓時(shí),利用巷旁支護(hù)切頂頂板,從而避免頂板沿煤幫處斷裂,同時(shí)利用它去承受直接頂冒落和老頂周期來(lái)壓所產(chǎn)生的動(dòng)載。

3)隔離或密閉采空區(qū),防止漏風(fēng)和采空區(qū)遺煤自燃,避免采空區(qū)有害氣體向巷內(nèi)逸出。

3 工程應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 沿空留巷實(shí)施過(guò)程

3.1.1預(yù)留巷道基本支護(hù)

為提高沿空留巷頂板穩(wěn)定性,對(duì)預(yù)留巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。補(bǔ)強(qiáng)方案:于原有支護(hù)1排布置2根錨索的所在位置補(bǔ)打2根錨索,錨索采用D22 mm×8 300 mm、1×19股鋼絞線,托盤采用300 mm×300 mm×16 mm的穹形托盤,垂直于頂板布置,排距1.8 m。預(yù)留巷道基本支護(hù)及錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)見圖1。

3.1.2預(yù)留巷道超前切頂卸壓爆破

采用聚能藥包定向斷裂爆破切頂卸壓設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)炸藥高效利用和爆生裂紋精準(zhǔn)控制,既破段留巷外關(guān)鍵層,又減輕關(guān)鍵層破段、回轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)留巷上方頂煤的擠壓作用,減少巷道圍巖變形,有效避免巷內(nèi)頂板臺(tái)階下沉和大變形。

通過(guò)切頂卸壓,消除懸頂現(xiàn)象,降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形壓力,從而大大減小了巖梁傳遞到巷旁和巷內(nèi)支護(hù)的荷載,從根本上改善巷道的力學(xué)環(huán)境。沿空留巷懸頂見圖2,沿空留巷預(yù)裂爆破切頂卸壓效果見圖3。

圖1 預(yù)留巷道基本支護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖Fig.1 Basic support and reinforcement support in reserved roadways

圖2 沿空留巷懸頂Fig.2 Suspended roof in gob-side entry retaining

圖3 沿空留巷預(yù)裂爆破切頂卸壓效果Fig.3 Effect of roof cutting pressure relief of pre-split blasting in gob-side entry retaining

超前切頂卸壓爆破參數(shù):沿巷道回采側(cè)肩角布置一排炮孔,炮孔直徑D=50 mm,傾角β=75°,長(zhǎng)度L=25 m,間距a=600 mm,單孔裝藥量Q=9.5 kg,采用孔底不耦合連續(xù)裝藥,聚能藥包定向斷裂爆破,導(dǎo)爆索多點(diǎn)起爆,單次起爆25個(gè)炮孔,每5個(gè)炮孔為一組。切頂卸壓爆破作業(yè)地點(diǎn)距工作面煤壁不小于20 m。

3.1.3待澆筑空間圍護(hù)

待澆筑空間是指巷旁支護(hù)施工前,采用臨時(shí)支護(hù)控制頂板的范圍。待澆筑空間越大,頂板穩(wěn)定性越差,采空區(qū)有害氣體和矸石涌入留巷內(nèi)的數(shù)量和機(jī)會(huì)就越多。

1)擋矸支架。待澆筑空間采用沿空留巷擋矸支架進(jìn)行圍護(hù),該支架是為柔?；炷裂乜樟粝镩_發(fā)的專用支架,具備支護(hù)、擋矸、自移、糾偏等功能,滿足沿空留巷使用要求。

2)采空區(qū)頂板錨索支護(hù)。根據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)觀察，回采工作面綜放支架移架后采空區(qū)頂煤和直接頂隨采隨垮，僅僅依靠金屬網(wǎng)無(wú)法有效阻擋采空區(qū)矸石，容易造成支架向巷內(nèi)偏移，導(dǎo)致墻體不平直，影響留巷復(fù)用。因此，生產(chǎn)班移架后，在頂網(wǎng)的保護(hù)下，沿軌道巷回采側(cè)煤幫向采空區(qū)延伸400±200 mm，在此處打設(shè)一排錨索。錨索規(guī)格D17.8 mm×5 200 mm，排距1.6 m。

3.1.4巷旁支護(hù)

1)留巷斷面確定。考慮到沿空巷道通風(fēng)和后期用途,以及軌道巷沿空留巷的施工要求,設(shè)計(jì)該工作面軌道巷留巷寬度為4 400 mm,凈寬4 200 mm,巷旁支護(hù)寬度為1 400 mm。

2)留巷墻體材料選擇。采用三維紡織結(jié)構(gòu)混凝土支護(hù)系統(tǒng),該材料是以三維紡織結(jié)構(gòu)柔性模板和對(duì)拉錨栓作為增強(qiáng)體,礦用高性能混凝土為基體的復(fù)合材料。該模板由外部加筋纖維布和內(nèi)部拉筋組成,為封閉的三維紡織結(jié)構(gòu),外形與支護(hù)體相同,是支護(hù)體的預(yù)成型體,其上設(shè)有自閉灌注口和固定裝置,具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工方便等特性。礦用高性能混凝土滿足自密實(shí)、早強(qiáng)、高強(qiáng)等要求。錨栓桿體為22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋,鋼號(hào)為500號(hào),桿體兩端都設(shè)有螺紋,螺紋規(guī)格為M24,采用滾壓加工工藝成型,螺紋長(zhǎng)度不小于100 mm,桿體長(zhǎng)度為1 400 mm。

3.1.5臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

所謂巷內(nèi)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù),是指在采動(dòng)劇烈影響區(qū)內(nèi)臨時(shí)增設(shè)的某種類型的支護(hù),這些支護(hù)結(jié)構(gòu)一般在圍巖活動(dòng)基本穩(wěn)定以后就加以拆除。

1)超前工作面臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。在超前工作面50 m范圍內(nèi)沿巷道走向采用“單體液壓支柱+π型長(zhǎng)梁”方式進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，一梁四柱，棚距900 mm±100 mm，π型梁體長(zhǎng)度在600 mm～3 800 mm范圍內(nèi)。

2)滯后工作面臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。在滯后工作面200 m范圍內(nèi)沿巷道走向采用“單體液壓支柱+π型長(zhǎng)梁”方式進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，一梁四柱，棚距900 mm±100 mm，π型梁體長(zhǎng)度不小于3 800 mm。

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)分析

在3313綜放工作面留巷期間,每隔50 m設(shè)置1組礦壓及巷道表面收斂量監(jiān)測(cè)站。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)果:

1)頂板錨索在滯后工作面切眼100 m～110 m時(shí)壓力達(dá)到峰值,然后緩慢降低并穩(wěn)定;頂板錨桿在滯后工作面切眼30 m～50 m時(shí)壓力達(dá)到峰值,然后緩慢降低并穩(wěn)定;頂?shù)装遄畲笠平繛?0 mm、兩幫移近量最大為20 mm。

2)沿空留巷內(nèi)充填體無(wú)明顯“鉆頂、鉆底”現(xiàn)象,巷道圍巖變形較小、無(wú)明顯“頂沉、底鼓、幫鼓”現(xiàn)象,圍巖控制效果良好。

4 結(jié)論

唐安煤礦3313綜放工作面沿空留巷的實(shí)施,具有以下意義:

1)根據(jù)綜采放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,確定如何提高預(yù)留巷道上方煤、巖層的整體性和穩(wěn)定性以及如何切斷頂板巖層的懸臂,使采空區(qū)側(cè)頂板巖層沿充填體斷裂是綜采放頂煤工作面沿空留巷的關(guān)鍵因素。

2)每個(gè)回采工作面可以少掘2條巷,回采巷道掘進(jìn)率降低60%以上,極大緩解礦井采掘銜接矛盾。實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱護(hù)巷,一方面沿空巷道處于應(yīng)力降低區(qū),有利于改善巷道維護(hù)條件;另一方面消除煤柱影響區(qū)的應(yīng)力集中,有利于鄰近層的卸壓開采。

3)取消跳采,實(shí)現(xiàn)連續(xù)開采,提高了生產(chǎn)集中化程度,有利于礦井高產(chǎn)高效;回采工作面實(shí)現(xiàn)了Y型通風(fēng),消除了回風(fēng)隅角瓦斯積聚,保證了礦井安全高效生產(chǎn)。

4)減少地表不均勻沉降,保護(hù)生態(tài)環(huán)境。