原位留巷協(xié)同控制技術(shù)及底鼓治理研究

趙云佩，賈 靖

(1.冀中能源邢臺礦業(yè)集團有限責(zé)任公司，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學(xué)研究院，河北 邢臺 054000)

隨著煤礦圍巖控制理論的發(fā)展、采掘支護技術(shù)的提高及巷旁充填材料性能的改善，沿空留巷已經(jīng)在大采高煤層、綜放巷道、三軟煤層、千米深井、直覆硬頂?shù)雀鞣N復(fù)雜地質(zhì)條件下采用巷旁充填、切頂留巷等多種支護方式取得成功[1-7]。按充填體位置的不同，沿空留巷可分為原位、半原位和沿煤壁三種形式[8]。原位留巷的充填體位于采空區(qū)內(nèi)，留巷變形大，圍巖控制困難；半原位留巷的充填體位于原支護內(nèi)，巷道維護簡單，二次復(fù)用時需擴幫；沿煤壁留巷的充填體沿實體煤幫構(gòu)筑，需要重新掘巷，實現(xiàn)了無煤柱開采。沿空保留下來的巷道一般頂板及兩幫治理效果較好，但底鼓量大，其中軟巖留巷的底鼓量可占頂?shù)装逡平康?0%以上，且呈現(xiàn)出非線性大變形的特征。隨著煤礦采深的增加和巷道斷面的增大，留巷底鼓現(xiàn)象越來越嚴(yán)重[7-9]。對于整個充填體位于采空區(qū)內(nèi)的原位沿空留巷底鼓現(xiàn)象更為突出。在二次復(fù)用過程中需要返修，甚至反復(fù)2～3次，增加了大量的維修工作，嚴(yán)重影響了煤礦的正常生產(chǎn)及留巷效益的發(fā)揮。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

左則溝煤礦2202工作面位于二采區(qū)南部，所采煤層為2#煤，工作面埋深約600m。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 2#煤頂?shù)装鍘r性圖

1.2 生產(chǎn)條件

2202工作面開切眼長度180m，安裝液壓支架121架，推進長度約1300m，采用走向長壁綜合機械化開采，全部垮落法管理頂板。

2202運輸巷沿2#煤頂板掘進，為梯形斷面，凈規(guī)格為4.2m×2.7m(寬×巷中高)，錨網(wǎng)索支護。擬采用原位留巷技術(shù)將該巷道保留下來作為下一個工作面的回風(fēng)巷。

2 原位留巷圍巖控制技術(shù)

2.1 原位沿空留巷控制機理

沿空留巷位于采空區(qū)邊緣，承受的是頂板巖層的載荷，掌握采場覆巖的結(jié)構(gòu)特征及活動規(guī)律是實現(xiàn)沿空留巷圍巖穩(wěn)定性有效控制的基礎(chǔ)。

根據(jù)關(guān)鍵層理論及相關(guān)的研究[10-12]，工作面回采過后，基本頂巖層在巷道邊緣附近破斷成規(guī)則塊體，塊體間相互擠壓咬合形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，如圖2所示。砌體梁結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵塊體B的旋轉(zhuǎn)下沉不可避免，在回轉(zhuǎn)過程中不斷向巷道施加壓力，直至接觸到采空區(qū)垮落巖石而穩(wěn)定，最終處于頂板“給定變形”的狀態(tài)。

圖2 協(xié)同支護機理示意圖

2.2 協(xié)同控制技術(shù)關(guān)鍵

分析圖2可以看出，巷旁墻體不可能阻止塊體B的運動。在給定變形下，充填體不承擔(dān)頂板覆巖運動產(chǎn)生的作用載荷，僅承擔(dān)支承范圍內(nèi)直接頂載荷，因此留巷圍巖控制的原則是初期適度讓壓，讓頂板卸載；后期保證支護強度，控制圍巖變形，由此提出了“斜拉錨索-U鋼-充填體”協(xié)同控制技術(shù)。

該技術(shù)的關(guān)鍵將斜拉錨索深入基本頂穩(wěn)定巖層，懸吊充填體上方頂板，U鋼和臨時架設(shè)的單體支柱強制切頂，促使采空區(qū)頂板在充填體邊緣處垮斷，形成以煤幫為支撐點的穩(wěn)定“懸臂梁”結(jié)構(gòu)。超高水材料充填體具有一定的可縮性，初期適度讓壓，適應(yīng)頂板回轉(zhuǎn)的給定變形，后期具有一定的支護強度，限制下位巖層破斷、垮冒。

在該協(xié)同支護體系中，斜拉錨索的懸吊和U鋼的切頂提高了頂板的完整性和承載性能，有助于降低巷旁充填體支護阻力，因此充填體不切頂，強度不宜過高，更多的是起到隔絕采空區(qū)、密閉保護巷道的作用。

2.3 原位留巷協(xié)同控制技術(shù)方案

結(jié)合2202工作面的地質(zhì)生產(chǎn)條件，確定了“斜拉錨索-U鋼-充填體”協(xié)同控制技術(shù)的具體參數(shù)，如圖3所示。

圖3 原位留巷“斜拉錨索-U鋼-充填體”協(xié)同控制技術(shù)(mm)

1)充填體參數(shù)：參考相關(guān)研究成果[13，14]，充填體的寬度設(shè)置為1.8m，長度按日推進度確定，高度大于煤層采高200mm。超高水材料的水灰比為1.8∶1，終凝強度不低于5MPa。

2)充填體頂板支護：靠近采空區(qū)側(cè)補打兩排切頂單體柱，柱距500mm，充填體頂板補打Φ20mm×2000mm高強螺紋鋼錨桿及Φ21.6mm×8000mm錨索，間排距分別為800mm×800mm、800mm×1600mm。為提高充填體承載性能，在充填體中置入錨栓。同時在采空區(qū)側(cè)支設(shè)U鋼，并在U鋼上打孔，與錨栓相連，增加支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3)巷內(nèi)加強支護：沿原巷道頂板中間補打一排錨索，排距1600m。巷中支設(shè)三排單體柱，柱距為500mm，視留巷情況回撤。

4)實體煤幫支護：實體煤幫補打一排錨索，排距1600mm，實體煤幫的錨索用梯子梁沿推進方向連接到一起。

3 礦壓顯現(xiàn)特征及原因分析

3.1 現(xiàn)場施工

所留巷道為運輸巷，巷內(nèi)鋪設(shè)有運煤帶式輸送機，超高水材料運輸、儲存困難，因此將充填站設(shè)置在運料巷內(nèi)，距開切眼400m處。鋪設(shè)兩路外徑31.5mm、 強度不低于15MPa的鍍鋅鋼管經(jīng)工作面刮板輸送機的電纜槽輸送至留巷地點，利用三通混合器接高壓膠管到充填包中。

主要設(shè)備為2ZBYSB18.0～5.4/5～15-55雙漿注液泵兩臺，一用一備，JDW-1000S水泥攪拌機4臺，A、B料各兩臺，實現(xiàn)連續(xù)制漿。

3.2 礦壓顯現(xiàn)特征

2202工作面是該礦第一個留巷工作面。因此，從第一個充填包開始就對巷道礦壓顯現(xiàn)情況進行了詳細的觀測記錄。

3.2.1 充填體應(yīng)力監(jiān)測

采用GBY-1B型數(shù)字采集系統(tǒng)，第一組三個傳感器放在9號充填包下，7月17日開始采集數(shù)據(jù)，頻率為5min。由監(jiān)測結(jié)果可以看出，三個傳感器的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在7月25日凌晨3點，此時工作面位置距9號包約16m。此后充填體受力逐漸變小并穩(wěn)定。

3.2.2 錨栓破斷情況

部分充填體上的錨栓出現(xiàn)了破斷的情況，由破斷情況可以看出，錨栓斷口沒有徑縮，斷口特征為脆斷。橫向裂縫的發(fā)展是造成錨栓破斷的主要原因，橫向裂縫達到錨桿橫斷面的50%，桿體的應(yīng)力斷面不足以承受所受的載荷時，錨栓發(fā)生脆斷。

根據(jù)留巷記錄，7號充填包的錨栓7月23日首次出現(xiàn)斷裂、10號充填包的錨栓8月9日首次出現(xiàn)斷裂，斷裂時充填體距工作面的位置大約為15.3m、16.5m。

3.2.3 巷道變形特征

工作面充填13個包時2202工作面原位沿空留巷具有如下的變形特征：

1)變形以底鼓為主。整個巷道基本穩(wěn)定，頂板下沉較小，最大值為200mm。底鼓相對較大，最大底鼓位置在4號、5號充填包處，為800mm。

2)滯后顯現(xiàn)。沿空留巷的巷道變形呈現(xiàn)明顯的時空特性。根據(jù)現(xiàn)場變形觀測，2202工作面受超前支承壓力影響較小，超前支護段巷道幾乎無變化，超前顯現(xiàn)不明顯，但當(dāng)煤層開采之后巷道變形較大，到工作面后方30m左右達到穩(wěn)定。

3)底鼓的組成。2202沿空留巷工作面前方底鼓幾乎為0，底鼓主要由采后底鼓、充前底鼓和充后底鼓三部分組成。采后底鼓量100～200mm、充前底鼓量200～300mm、充后底鼓量300～400mm。因此，巷道底鼓的治理應(yīng)在工作面前方進行。

4)底鼓變形的不對稱性。2202工作面留巷底鼓具有明顯的偏態(tài)凸起特征，最大底鼓量出現(xiàn)在距實體煤幫1.1m處，向兩側(cè)逐漸減小。

3.3 原因分析

除了泥巖頂?shù)装宓茸匀灰蛩赝?，現(xiàn)場的生產(chǎn)活動對巷道變形也有較大的影響。

1)滯后支護。充填區(qū)域未提前擴幫，都是移架后支護，從割煤到充填完成需要反復(fù)移架10次左右，加劇了對頂板的破壞。此時采用錨桿索支護時頂板已經(jīng)出現(xiàn)了下沉變形。

2)未充分切頂?；卷斀o定變形下，位于采空區(qū)的切頂支護切頂強度不足，造成充填體持續(xù)受到頂板壓力的影響，部分充填體的錨栓破斷、充填體出現(xiàn)壓縮變形。

3)底板反復(fù)擾動。巷道成形后，應(yīng)力重新分布，兩幫受力增加，促進底板巖層內(nèi)裂隙發(fā)育；工作面回采前，在超前支承壓力的影響下，底板有向巷內(nèi)發(fā)生歸位變形的趨勢，但受到超前支護的阻礙，工作面回采后，單體柱回撤，對底板的壓力消失，巖層內(nèi)積聚的能量通過底鼓的形式向巷道內(nèi)釋放，從而造成底鼓。

4 控制措施及效果

4.1 控制措施

1)加強支護?，F(xiàn)場礦壓觀測表明，工作面來壓步距約18m，因此應(yīng)加強該段的支護。在保證巷內(nèi)三排支護的基礎(chǔ)上，貼緊充填體打一排單體柱。該排單體柱作為充填體的臨時支護，在工作面后方20m回撤。

2)增加切頂支柱密度?？拷煽諈^(qū)的切頂支柱中心距調(diào)整為300mm，凈距離200mm，配鉸接頂梁，一梁三柱。

3)保持充填區(qū)域頂板的完整性。將架后支護改為架前支護，在工作面割煤后、移架前補打充填區(qū)域的頂板錨桿，2號和3號支架上方用工字鋼或π型梁背頂，嚴(yán)禁移架過程中將錨桿損壞。通過保持頂板的完整弱化巷旁支護的傳力效果。

4)補打底板錨桿。在工作面前方靠近實體煤幫巷道底板補打兩排Φ20mm×1800mm螺紋鋼樹脂底板錨桿，間排距為0.8m×1.0m。

5)其他措施。將錨栓改為Φ20mm的高強螺紋鋼錨桿，同時將梯子梁由橫向布置改為橫豎網(wǎng)狀布置。

4.2 控制效果

當(dāng)前工作面已留巷約200m，采取以上措施以后，錨栓無斷裂情況出現(xiàn)，巷道變形較小，尤其是底鼓量明顯減小，采后和充前底鼓量幾乎為0，采后40m左右底鼓量達到穩(wěn)定，約為300mm。巷道中高在2.5m以上，巷道圍巖控制效果明顯，巷道不需返修或只需簡單挖底即可滿足二次回采的要求。

4.3 效益分析

沿空留巷回收了區(qū)段保護煤柱的資源，減少了一條巷道的掘進，但留巷本身及后期維護也會有一定的費用，留巷經(jīng)濟效益計算見表1。2202工作面運輸巷留巷長度約1200m，可節(jié)省496.8萬元，效益可觀。

表1 留巷經(jīng)濟效益計算 元/m

5 結(jié) 論

1)原位留巷圍巖變形劇烈，基本頂巖層斷裂，關(guān)鍵塊體B的旋轉(zhuǎn)下沉不可避免，在回轉(zhuǎn)過程中不斷向巷道施加壓力，直至接觸到采空區(qū)垮落巖石而穩(wěn)定，最終處于頂板“給定變形”的狀態(tài)。

2)“斜拉錨索-U鋼-充填體”協(xié)同控制的技術(shù)關(guān)鍵是斜拉錨索懸吊充填體上方頂板，U鋼支柱配合單體柱強制切頂?shù)淖饔?，形成穩(wěn)定的“懸臂梁”結(jié)構(gòu)。充填體不切頂，強度不宜過高，更多的是起到隔絕采空區(qū)、密閉保護巷道的作用。

3)協(xié)同控制技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用表明，巷道頂板穩(wěn)定，但底鼓量相對較大，通過及時切頂、架前支護、補打底板錨桿等措施顯著降低了巷道變形量，減少了巷道維修，經(jīng)濟效益顯著。