厚煤層無(wú)煤柱自成巷碎石幫成巷技術(shù)的應(yīng)用研究

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦 山西 032300）

沿空留巷一直以來(lái)都是實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效開采的主要技術(shù)手段之一，同時(shí)也是無(wú)煤柱開采技術(shù)。傳統(tǒng)情況下，沿空留巷技術(shù)大多數(shù)都是直接利用混凝土、高水材料等各種不同類型的材料在留巷采空區(qū)一側(cè)砌筑對(duì)應(yīng)的墻，以此來(lái)逐漸形成留巷的巷幫。切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷技術(shù)在提出以及具體應(yīng)用中，一般都是直接利用聚能爆頂裂頂板，逐漸形成切縫，這樣可以促使采空區(qū)的一側(cè)頂板直接在礦山壓力的影響和作用下，完成切落。對(duì)垮落的矸石一般都會(huì)直接利用金屬網(wǎng)、可伸縮的U型鋼等，對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，以此來(lái)逐漸形成留巷的巷幫。尤其是當(dāng)前隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和快速發(fā)展，傳統(tǒng)的技術(shù)以及填充方式等都有所改進(jìn)和優(yōu)化，不僅有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)定性的合理控制，而且還有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)成本降低目標(biāo)。

1.工程概況分析

(1)工程地質(zhì)及巷道布置

某煤礦工程S1201-II工作面是在2-2的煤層上，對(duì)該工作面展開詳細(xì)分析和計(jì)算統(tǒng)計(jì)之后，得出該工作面的整體走向長(zhǎng)度為2344m，傾向的長(zhǎng)度為280m。與此同時(shí)，煤層的平均厚度是4.11m，埋藏的整個(gè)深度大概為90m至165m的范圍之內(nèi)，與水平煤層之間的距離相對(duì)比較接近。切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷開采技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，通常情況下都是直接將巷道的布置方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)提前掘巷逐漸轉(zhuǎn)變成為采掘同時(shí)進(jìn)行。也就是回采多個(gè)工作面時(shí)，并不需要提前對(duì)工作面的巷道進(jìn)行掘進(jìn)處理，采區(qū)的整個(gè)邊界巷道在貫通之后，區(qū)段回采巷道大多數(shù)情況下都是直接在采煤機(jī)截煤時(shí)，在預(yù)定的位置處，將巷道空截出，緊接著利用恒阻錨索支護(hù)，對(duì)巷圍巖的變形情況進(jìn)行有效控制。在實(shí)踐中，必須要結(jié)合現(xiàn)實(shí)要求，積極采取有針對(duì)性的對(duì)策，與側(cè)擋矸支護(hù)體系進(jìn)行結(jié)合，保證該體系的穩(wěn)定性、可靠性，以此來(lái)保證采空側(cè)碎石巷幫可以自動(dòng)形成巷道，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱的開采目標(biāo)。如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置示意圖

(2)頂板支護(hù)參數(shù)分析

圖2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面示意圖

實(shí)踐中，要對(duì)順槽巷的寬度積及高度提前預(yù)留出對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，寬度控制在6200mm，高度則控制在3750mm。通常情況下，巷道的頂板每排都會(huì)布置5根恒阻，其對(duì)應(yīng)的數(shù)值為35t的恒阻大變形錨索。錨索對(duì)應(yīng)的排距控制在800mm，如圖2所示。

2.碎石巷幫成巷原理及受力特征分析

(1)碎石巷幫成巷原理分析

切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷一側(cè)巷幫通常情況下，都是直接由采煤機(jī)割成。而另外一側(cè)的巷幫在實(shí)踐中，主要是直接通過(guò)頂板定向切縫技術(shù)在其中合理的應(yīng)用，直接由采空區(qū)垮落的矸石相互堆積而成。針對(duì)這一現(xiàn)象，在實(shí)踐中要通過(guò)對(duì)金屬網(wǎng)的合理應(yīng)用，同時(shí)還要借助伸縮U型鋼，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)擋矸的支護(hù)，如圖3所示。

圖3 采空側(cè)碎石巷幫示意圖

可以伸縮的U型鋼，通常情況下都是直接由2節(jié)U型鋼，直接通過(guò)卡攬相互連接而成，在一定大小軸向的荷載影響和作用下，2根U型鋼，勢(shì)必會(huì)發(fā)生相對(duì)的滑移狀態(tài)。在這種形勢(shì)下，難免會(huì)產(chǎn)生讓壓作用，以此為基礎(chǔ)，有利于保證其自身能夠抵抗一定大小的側(cè)向壓力。與此同時(shí)，大多數(shù)情況下，普遍都是抵抗采空區(qū)矸石垮落過(guò)程，在該過(guò)程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生出比較大的動(dòng)壓。通過(guò)這種方式在其中的應(yīng)用，有利于將其作為基礎(chǔ)，研發(fā)出一種既能在豎向支撐巷道頂板，又可以直接承受矸石側(cè)向壓力的切頂護(hù)幫支架。其自身的單架最大豎向支撐力的高度通常為4000kN，切頂力一般都是直接由立柱提供。另外，護(hù)幫力也都是直接由頂梁和底座內(nèi)部的側(cè)推千斤頂提供完成。

(2)碎石巷幫成巷受力特征分析

對(duì)于采空區(qū)垮落的矸石，通常情況下都是直接以側(cè)向的擠壓力為主，通過(guò)鋼筋網(wǎng)、鉛絲網(wǎng)最終直接傳遞到后期的U型鋼當(dāng)中。沿巷道軸線方向從中獲取單位寬度的側(cè)壁支護(hù)結(jié)構(gòu)，在這種形勢(shì)下，采空區(qū)的矸石可以直接對(duì)U型鋼的擠壓力合力。由于U型鋼本身具有非常良好的伸縮性能特征，所以在整個(gè)頂板的擠壓影響和作用下，將會(huì)直接保持直線的形態(tài)，從而不會(huì)出現(xiàn)任何的彎曲和變形。由此可以看出，在實(shí)踐中巷道切頂側(cè)在變形之后的形狀，仍然可以被看作是直線形。

3.碎石幫側(cè)向壓力變化規(guī)律

為了從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)碎石幫圍巖受力、運(yùn)動(dòng)情況實(shí)時(shí)有效觀察和判定分析，碎石幫側(cè)在對(duì)側(cè)向壓力傳感器進(jìn)行布置時(shí)，其根本目的就是為了實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)和分析，以此為基礎(chǔ)，實(shí)再對(duì)巷道碎石幫側(cè)設(shè)置側(cè)向的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，總共需要設(shè)置9個(gè)，編號(hào)分別是N1-N9。傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，通常情況下都是直接通過(guò)恒阻錨索托盤、金屬網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)與矸石相互之間的有效接觸。實(shí)踐中，必須要結(jié)合現(xiàn)實(shí)要求，從中選擇2個(gè)典型的側(cè)壓力測(cè)站展開更加深入的探究和分析，N4以及N7監(jiān)測(cè)站分別與切眼之間的距離為90m、190m。碎石幫側(cè)向壓力的傳感器在布置時(shí)，要保證布置的科學(xué)性、合理性。

在針對(duì)碎石幫N4、N7測(cè)站壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)后，最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果為：首先，兩者的測(cè)站壓力變化趨勢(shì)具有一定的相似之處。通常情況下，在前60m的位置處，其自身的側(cè)向壓力出現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)，緊接著后期由于增速而逐漸減緩，一直在持續(xù)的增大。通常情況下，大概在滯后工作面150m之后，壓力會(huì)基本上處于相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。其次，在滯后的工作面60m范圍之內(nèi)，由于與工作面之間的距離相對(duì)比較近，受到采動(dòng)的影響，老頂回轉(zhuǎn)出現(xiàn)明顯的下沉趨勢(shì)，采空區(qū)頂板的巖石正處于一種相對(duì)比較激烈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是碎石幫側(cè)向壓力逐漸升高。在滯后工作面60m至150m的位置處，采空區(qū)垮落的矸石在上覆巖層的壓力影響和作用下，一直被壓實(shí)。該階段在實(shí)踐中，主要是以矸體的壓實(shí)為其中的主體組成部分，側(cè)向的壓力變化相對(duì)比較平緩。在整個(gè)滯后工作面的150m之后，采空的區(qū)垮落矸石目前已經(jīng)基本壓實(shí)，同時(shí)已經(jīng)形成一種全新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)的影響和保護(hù)下，碎石幫受力一般可以達(dá)到一種平衡狀態(tài)。與綜合分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)合后，不難看出在實(shí)踐中，該煤礦的厚煤層切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷碎石幫側(cè)向壓力逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其自身的對(duì)應(yīng)滯后性工作面為150m。與此同時(shí)，采空區(qū)的巖體整體表現(xiàn)狀態(tài)為垮落、壓實(shí)以及穩(wěn)定，以這種動(dòng)態(tài)化的演變過(guò)程為主。

工作面通常在回采之后，頂板的巖石會(huì)逐漸跨落，為了從根本上防止垮落的矸石直接竄入到對(duì)應(yīng)的巷道當(dāng)中，需要直接向巷內(nèi)鼓出變形，采空區(qū)碎石巷幫則會(huì)直接利用“切頂護(hù)幫支架+可伸縮U型鋼+金屬網(wǎng)”的方式來(lái)完成有針對(duì)性的支護(hù)。可伸縮的U型鋼間距為600mm，同時(shí)，U型鋼需要以豎直布置方式為主，利用鐵絲直接將其與金屬網(wǎng)相互之間進(jìn)行有效的連接和固定。金屬網(wǎng)直接利用柔性8#的鉛絲網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)相互搭配使用。需要注意的一點(diǎn)就是，菱形網(wǎng)的規(guī)格為4200mm×1000mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為3800mm×1000mm。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)以及具體應(yīng)用后，可以總結(jié)出滯后工作面的150m范圍內(nèi)，碎石幫的變形情況相對(duì)比較明顯，同時(shí)整個(gè)變形速度也相對(duì)比較快。采空區(qū)內(nèi)的巖體垮落以及壓實(shí)通常都是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，垮落過(guò)程中，矸石對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)的主要表現(xiàn)作用就是沖擊。在整個(gè)壓實(shí)中，其主要的作用就是橫向的擠壓。在整個(gè)階段中，必須要結(jié)合現(xiàn)實(shí)要求，及時(shí)采取有效措施，這樣才能夠起到良好的處理效果。由于采空區(qū)域頂板巖石處于相對(duì)比較激烈的狀態(tài)，在上覆巖層方面的壓力會(huì)受到運(yùn)動(dòng)影響逐漸被壓實(shí)。同時(shí)，滯后工作與矸石之間的距離會(huì)越來(lái)越大，壓實(shí)度也比較強(qiáng)。

4.結(jié)語(yǔ)

無(wú)煤柱自成巷技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，采空區(qū)跨落矸石的合理應(yīng)用，整個(gè)操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，可以為相關(guān)工程項(xiàng)目提供可靠的依據(jù)作為參考。采空區(qū)巖體整體的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程為垮落、壓實(shí)、穩(wěn)定，滯后的工作面不同距離的碎石幫側(cè)向壓力變化規(guī)律有所不同，要結(jié)合現(xiàn)實(shí)要求，對(duì)其展開合理的判斷和分析。