綜采工作面運(yùn)用沿空留巷回采技術(shù)分析

張小賓

(山西焦煤西山煤電(集團(tuán))有限公司官地煤礦，山西 太原 030022)

0 引言

12605綜采工作面地表位于要子莊村南側(cè)山坡，坡上植被發(fā)育，黃冶溝支溝從工作面上部穿過。蓋山厚度216～402 m，平均厚度297 m。采區(qū)位于南六采區(qū)皮帶巷東南側(cè)，工作面東北側(cè)為12603工作面，與本工作面相距23 m，西南側(cè)為未采區(qū)。

該工作面2#煤層含一層0.4～3.0 m的泥巖夾石，平均0.76 m，黑色，含有植物化石及煤屑，局部夾石變厚為3.0 m。地面標(biāo)高1 280～1 435 m，工作面標(biāo)高1 019～1 065 m，煤層總厚度0.4～2.6 m。老頂為灰黑色粉砂巖，厚度9.29 m，含有植物化石及云母碎片，斷口平坦，塊狀構(gòu)造，含泥質(zhì)包裹體；直接頂為灰黑色砂泥巖互層，厚度6.34 m，含有植物化石及黃鐵礦晶體，近似水平層理，局部顆粒較粗[1-2]；偽頂為黑色炭質(zhì)泥巖，厚度0.60 m，含有植物化石及云母碎片，斷口平坦；直接底為黑色泥巖，厚度0.60 m，含有植物化石及黃鐵礦，砂質(zhì)包裹體；老底為灰色中粒砂巖，厚度10.37 m，成份以石英、長石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，塊狀構(gòu)造。

2#煤層地質(zhì)構(gòu)造和向斜軸部預(yù)計(jì)會有淋水、滴水滲出，對工作面施工有一定影響；工作面東北側(cè)為12603工作面采空區(qū)，本工作面較高，預(yù)計(jì)12603采空區(qū)積水對本工作面不造成威脅。本工作面導(dǎo)水裂隙經(jīng)計(jì)算為25.79～36.99 m，工作面地表河谷與工作面之間蓋山厚度約233 m，遠(yuǎn)大于工作面導(dǎo)水裂隙高度，故工作面不受地表河谷影響。其正常涌水量為1.5 m3/h，最大涌水量為5.0 m3/h。依據(jù)實(shí)際水文地質(zhì)情況，在工作面及兩巷低洼處配備兩趟4吋排水管路及2臺排水量不低于20 m3/h的水泵，對巷道積水及時進(jìn)行排放。若局部地點(diǎn)積水，由機(jī)電大隊(duì)及時安設(shè)潛水泵，進(jìn)行排放。

工作面瓦斯絕對涌出量為4.8 m3/min；煤塵爆炸指數(shù)為15.64%～18.22%；煤層屬Ⅲ類不易自燃煤層。

1 沿空留巷回采及支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

工作面按照破、裝、運(yùn)、支、護(hù)、處順序進(jìn)行作業(yè)，正巷沿空留巷主要生產(chǎn)工序?yàn)椋焊蠲骸萍堋屏铩祟^支護(hù)→超前支護(hù)及超后臨時支護(hù)→巷幫擋矸→采空區(qū)處理，完成上述一組工序即為一個循環(huán)。

割、裝、運(yùn)煤及移架推溜各工序使用設(shè)備及操作方式，見表1。

表1 設(shè)備明細(xì)表

1.1 頂板支護(hù)方式

副巷及時支設(shè)端頭支護(hù)及超前支護(hù)，正巷及時支設(shè)端頭支護(hù)、超前支護(hù)。頂板支護(hù)方式以工作面現(xiàn)場實(shí)際情況為準(zhǔn)，結(jié)合采煤、運(yùn)輸及移溜時使用的各種機(jī)械設(shè)備配套情況來綜合確定。

Lmin=d+e，Lmax=d+e+s

(1)

式中：d—支架頂梁長度，取4.120 m；e—梁端距，取0.34 m；s—采煤機(jī)截深，取0.7 m；L—控頂距，m。

最小控頂距(Lmin)=4.120 m+0.34 m=4.46 m

最大控頂距(Lmax)=4.120 m+0.34 m+0.7 m=5.16 m

放頂步距=5.16 m-4.46 m=0.7 m

在特殊時期的頂板控制時，首先制定合理的初采安全技術(shù)措施，依據(jù)工作面現(xiàn)場實(shí)際操作情況，工作面支架初撐力≥24 MPa，兩巷單體的初撐力≥11.4 MPa，若單體鉆底量>100 mm時必須加套鐵鞋[3]。其次嚴(yán)格掌控上、下端頭頂板，依據(jù)制定的安全技術(shù)方案打好密集柱。最后對于夾石變薄段，頂板破碎時，要及時超前移架。另外，針對工作面遇1 m以上斷層、陷落柱制定相應(yīng)安全技術(shù)措施，加強(qiáng)頂板控制工作，控制好采高，確保支架的初撐力。

1.2 正、副巷頂板控制

原巷道支護(hù)形式：副巷、正巷均采用矩形斷面，高度跟直接頂和底必須≥2.8 m。副巷寬3.6 m，正巷寬4.2 m。

兩巷超前維護(hù)方式：實(shí)行超前維護(hù)的范圍是兩巷在距工作面煤壁30 m處，兩巷均采用在原支護(hù)間套打一架一梁兩柱的單體π型梁矩型棚。正、副巷棚梁分別選用4.0 m及3.4 m的π型梁，棚腿用單體液壓支柱，在梁頭兩端下以直線方式打單體支柱。

1.3 工作面端頭支護(hù)方式

端頭支護(hù)要求首先所加打戴帽點(diǎn)柱，使用柱帽卡子將柱帽與單體支柱固定牢靠；其次軟硬連接必須加設(shè)齊全，軟連接采用直徑6 mm的鋼絲繩；最后安全出口的設(shè)置要求：高度>1.8 m，寬度>0.8 m。具體機(jī)頭端、機(jī)尾端頭落山側(cè)支護(hù)方式見表2。

表2 工作面端頭支護(hù)方式明細(xì)表

1.4 其他部位支護(hù)

機(jī)尾端頭安全出口采用戴帽點(diǎn)柱或π型梁棚支護(hù)；機(jī)頭端頭安全出口采用戴帽點(diǎn)柱支護(hù)，柱帽規(guī)格均為400 mm×100 mm×90 mm的π型鋼梁。

1#、2#架架間支護(hù)方式是在機(jī)頭1#、2#架架間，采用加打一對一梁三柱的π型梁棚進(jìn)行支護(hù)。距1#架側(cè)護(hù)板0.35 m加打第一架π型梁棚，距第一架π型梁棚0.8 m加打第二架π型梁棚。采用3.0 m的π型梁，平行于支架布置。

2 正巷切頂卸壓成巷

2.1 頂板超前加固支護(hù)形式

恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設(shè)3列，第一列恒阻錨索距留巷正幫500 mm，排距1 000 mm；第二列位于中線布設(shè)，排距6 000 mm；第三列距巷道副幫1 200 mm布置，排距為6 000 mm。

2.2 頂板預(yù)裂切縫

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，嚴(yán)格按照預(yù)定爆破方案實(shí)施，使被爆破體按設(shè)定方向張拉斷裂成型。根據(jù)以往實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，合理預(yù)裂切縫深度(H縫)設(shè)計(jì)一般大于2.5倍采高，即H縫≥2.5H煤。另外預(yù)裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量及底臌量有關(guān)，一般通過如下方式確定

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(k-1)

(2)

式中：ΔH1—頂板下沉量，m；ΔH2—底臌量，m；k—碎脹系數(shù)，1.3～1.5；(泥巖碎脹系數(shù))k=1.4，(砂巖碎脹系數(shù))k=1.3。以12605工作面頂板巖性分布為依據(jù)，切頂范圍內(nèi)泥巖占比約40%，砂巖占比約60%，通過加權(quán)平均計(jì)算得到采空區(qū)頂板垮落后巖石碎脹系數(shù)k=1.34。參考補(bǔ)打鉆孔資料煤層厚度變化很小，排除底臌及頂板下沉因素，工作面采高H煤為2.4 m時，計(jì)算得H縫=7.0 m。綜合考慮上述計(jì)算結(jié)果，同時根據(jù)鉆孔柱狀圖巖層狀況分析，預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計(jì)為H縫=7 m。

2.3 巷道臨時支護(hù)

在巷道臨時支護(hù)并加設(shè)擋矸支護(hù)過程中，以前期現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，將工作面附近劃分為超前支護(hù)區(qū)(煤壁前方0～30 m)、架后臨時支護(hù)區(qū)(架后0～200 m)、成巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后)3個區(qū)域，并分別采取不同的支護(hù)措施，分區(qū)如圖1所示。

圖1 巷道不同位置臨時支護(hù)

超前支護(hù)區(qū)(煤壁前方0～30 m)：此段巷道需超前加強(qiáng)支護(hù)。利用操作現(xiàn)場設(shè)備，超前支護(hù)采用單體液壓支柱配合“π”型梁進(jìn)行[4]，垂直巷道布置為“一梁三柱”方式單體支柱。超前支護(hù)單體液壓支柱排距1 000 mm。巷道支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2 超前支護(hù)區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)(煤壁前方0～30 m)

架后臨時支護(hù)區(qū)(架后0～200 m)：由于此段巷道受動壓影響明顯，頂板壓力較大。因此，在架后0～200 m范圍內(nèi)，頂板需要臨時加強(qiáng)支護(hù)。超后支護(hù)采用單體液壓支柱配合“π”型梁進(jìn)行。每排4根單體支柱，排距700 mm，主要集中布置于巷道切縫側(cè)。第一排單體，距離切縫線200 mm，其余3根單體距正幫間距分別為800 mm、1 800 mm和3 800 mm。加鋼筋網(wǎng)、單體支柱與可伸縮U型鋼進(jìn)行聯(lián)合擋矸支護(hù)。若出現(xiàn)較嚴(yán)重漏矸，鋼筋網(wǎng)里邊可增添菱形金屬網(wǎng)加強(qiáng)擋矸支護(hù)?？缮炜sU型鋼采用上下2節(jié)可縮性搭接，U型鋼長2.0 m(可根據(jù)巷道高度適當(dāng)調(diào)整)，采用兩副卡蘭連接，卡蘭上下沿距U型鋼搭接端頭各50 mm，搭接長度大于1 m。U型鋼棚埋入底板以下不少于200 mm，相鄰可伸縮U型鋼可用連接桿連接，以增加整體穩(wěn)固性。臨時支護(hù)側(cè)視圖，如圖3所示。

圖3 臨時支護(hù)側(cè)視圖

成巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m)：此段巷道受采動影響很小，依據(jù)現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)該區(qū)域頂板達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，可只做可伸縮U型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)。成巷穩(wěn)定區(qū)經(jīng)常人為性降低其施工質(zhì)量，因此務(wù)必加強(qiáng)現(xiàn)場施工質(zhì)量監(jiān)督，確保巷道85%區(qū)域的頂?shù)装寮皟蓭鸵平啃∮谠懈叨燃皩挾鹊?5%，滿足通風(fēng)行人需要。

對于采空區(qū)處理，在確保以上工序完全按照施工要求圓滿完成后，回收支護(hù)設(shè)施后切頂使采空自行垮落。

2.4 工作面其他細(xì)節(jié)事宜

在兩端頭作業(yè)及人員進(jìn)入煤幫作業(yè)時，必須停機(jī)閉鎖、有專人監(jiān)護(hù)方可作業(yè)。增加設(shè)備開停傳感器的安裝數(shù)量，及時更換壞蛤蟆嘴、壞框架、竄液千斤。煤庫口必須設(shè)置篦子，其孔徑≤300 mm?；夭蛇^程中，要對工作面正巷及構(gòu)造段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，確保巷道支護(hù)完好，通風(fēng)暢通，若頂板壓力大，巷道擠壓變形、底臌嚴(yán)重時，及時制定專項(xiàng)的變化安全技術(shù)措施。

3 實(shí)際效果

3.1 采掘接替問題得以解決

依據(jù)12605綜采工作面實(shí)際開采情況分析，礦井選擇沿空留巷技術(shù)，良好地解決了采掘接替問題。一方面在工作面回采之前切斷工作面頂板和運(yùn)輸巷，并在完成回采以后，采空區(qū)的上方頂板沿著切縫垮落成為了巷幫，將運(yùn)輸巷沿空留巷當(dāng)做回風(fēng)巷；另一方面經(jīng)對運(yùn)輸巷與切眼掘進(jìn)處理構(gòu)建工作面巷道系統(tǒng)，減少了回風(fēng)巷的數(shù)量，對礦井采掘接替的緊張性予以緩解。

3.2 無煤柱連續(xù)開采

選擇沿空留巷技術(shù)，使工作面與工作面間無需預(yù)留區(qū)段對煤柱進(jìn)行保護(hù)，而且不存在工作面跳采[5]，孤島工作面的問題得以解決。

4 結(jié)語

綜上所述，將沿空留巷回采技術(shù)應(yīng)用在官地煤礦12605綜采工作面開采過程中，使得采煤工作面能夠無煤柱連續(xù)開采，且巷道的掘進(jìn)費(fèi)用明顯減少，維護(hù)成本降低，采掘接續(xù)緊張的問題得到解決。一定程度上優(yōu)化了礦井資源的回收率，創(chuàng)造了理想的礦井效益，與綠色礦山的建設(shè)要求相適應(yīng)，為切頂卸壓沿空留巷技術(shù)推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。