型鋼巷旁支護(hù)沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用

任 杰

(山西坤龍煤業(yè)有限公司,山西 呂梁 033000)

由于切頂卸壓技術(shù)的應(yīng)用[1]及巷旁支護(hù)技術(shù)[2]的發(fā)展,關(guān)鍵層頂板懸頂問(wèn)題得以解決，使得沿空留巷技術(shù)取得重大突破,在不少煤礦實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤柱開(kāi)采。切頂卸壓技術(shù)解決了兩方面的問(wèn)題[3-5]:將下部頂板由懸臂梁變?yōu)槎瘫哿?減少了關(guān)鍵層頂板附加應(yīng)力,減少了沿空留巷上覆頂板的壓力;采用切頂卸壓增加了頂板冒落高度以及上覆巖層砌體梁的觸矸高度,頂板傾斜下沉角度減小,頂板給定變形減小,沿空留巷變形減小。使不適合沿空留巷的頂板條件經(jīng)過(guò)切頂卸壓改造，變成適合沿空留巷的頂板條件。巷旁支護(hù)由矸石帶、木垛等發(fā)展成現(xiàn)在三種常用的巷旁支護(hù)[6-9]:混凝土巷旁支護(hù)，高水材料巷旁支護(hù)，型鋼巷旁支護(hù),三種巷旁支護(hù)適用于不同的巷道圍巖條件。其中型鋼巷旁支護(hù)在合適的條件下具有成本低、便于施工、不影響生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),但也有承載能力低、裸露采空區(qū)等缺點(diǎn)。通過(guò)分析,坤龍煤業(yè)采用切頂卸壓技術(shù)、錨索加強(qiáng)支護(hù)解決了型鋼巷旁支護(hù)承載低的問(wèn)題。通過(guò)采空區(qū)密閉解決了型鋼支護(hù)裸露采空區(qū)的問(wèn)題。

1 工程概況

坤龍煤業(yè)4102工作面位于4#煤層1采區(qū),為垮落式管理頂板綜采工作面,與4101、4103工作面相鄰,4101工作面已開(kāi)采完畢,在4102工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷作為4103工作面的主進(jìn)風(fēng)巷,實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采。

表1 頂?shù)装鍡l件Table 1 Roof-floor conditions

4102回采工作面頂板巖性為砂質(zhì)泥巖,局部為粉砂巖、中砂巖及泥巖,頂板厚度0.80～9.20 m,平均4.25 m;底板巖性為砂質(zhì)泥巖,局部為中細(xì)砂巖,底板厚度1.00～2.95 m,平均2.05 m。

4#煤層平均厚度1.39 m,頂板巖性為砂質(zhì)泥巖,局部為粉砂巖、中砂巖及泥巖。煤層埋深175～250 m。

4102輔助進(jìn)風(fēng)巷為矩形斷面,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)形式。斷面寬4.0 m,高2.4 m,截面積為9.6 m2,全長(zhǎng)730 m。

巷道支護(hù)形式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),頂部錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿。頂部錨桿間、排距均為800 mm;幫部錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿,間、排距均為800 mm,幫部共設(shè)3根錨桿,兩幫共計(jì)6根。

巷道原有錨索采用Φ15.24 mm×6 300 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線“二二”布置,錨索布置于錨桿排距正中,錨索間距為2 400 mm,排距為2 400 mm。

確定該巷道進(jìn)行沿空留巷后進(jìn)行了錨索加強(qiáng)支護(hù),加強(qiáng)支護(hù)方式為聚能預(yù)裂爆破后平行于巷道中心施工兩排錨索,一排在巷道中心線偏采空區(qū)側(cè)1 700 mm位置,錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×10 300 mm;另一排在巷道中心線位置,錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×8 300 mm,頂板破碎帶錨索加恒阻器。

2 沿空留巷方案及工藝參數(shù)

根據(jù)坤龍煤業(yè)4102綜采工作面的開(kāi)采條件及4103工作面開(kāi)采時(shí)的使用要求,采用采空區(qū)側(cè)頂板深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓;巷幫36U型鋼擋矸支架支護(hù)配合頂板錨索加強(qiáng)支護(hù);高分子噴涂材料采空區(qū)密閉進(jìn)行沿空留巷。頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)可以切落采空區(qū)側(cè)上部頂板巖層,減少采空區(qū)側(cè)頂板懸頂長(zhǎng)度,增大采空區(qū)頂板冒落高度。巷幫36U型鋼擋矸支架支護(hù)配合頂板錨索加強(qiáng)支護(hù)支撐懸空頂板、高分子材料采空區(qū)密閉可以有效密閉采空區(qū),防止采空區(qū)有害氣體進(jìn)入巷道。三種技術(shù)結(jié)合進(jìn)行沿空留巷可以保證沿空留巷效果，同時(shí)也可減少施工成本。

2.1 切頂卸壓

采空區(qū)側(cè)切頂卸壓采用超前工作面頂板聚能預(yù)裂爆破方法。

聚能預(yù)裂爆破采用聚能管裝藥,不耦合裝藥結(jié)構(gòu)通過(guò)爆破在頂板給定位置形成切縫,多個(gè)爆破鉆孔切縫形成頂板預(yù)裂面。保證頂板深孔預(yù)裂爆破的必要條件就是炸藥在鉆孔內(nèi)爆炸產(chǎn)生的壓力可以在給定方向?qū)r層劈裂成縫,而壓力不破壞預(yù)裂孔的孔壁。

2.1.1切頂卸壓高度范圍

頂板切頂?shù)姆秶鶕?jù)以下3個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算。

1)數(shù)值模擬。依據(jù)坤龍煤業(yè)4102工作面具體的地質(zhì)條件,利用有限差分軟件FLAC3D建立模型。通過(guò)對(duì)比分析不同預(yù)裂切頂高度條件下,巷道圍巖變形破壞的特點(diǎn),分析數(shù)值模擬結(jié)果,選擇出了合理的切頂高度。

數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示,模型范圍取定為長(zhǎng)×寬×高=60.00 m×15.00 m×123.69 m,模擬回采巷道的截面為寬×高=4.2 m×2.4 m,模型中共計(jì)122085個(gè)網(wǎng)格,133232個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 三維數(shù)字模型Fig.1 3-Dimensional digital model

本次數(shù)值模擬計(jì)算了切頂高度分別為10 m、12 m、15 m三種切頂情況,切頂角度為80°，如圖2、圖3所示。切頂高度10 m時(shí)，左幫垂直應(yīng)力12.7 MPa，頂板垂直應(yīng)力1.04 MPa;切頂高度12 m時(shí)，左幫垂直應(yīng)力9.3 MPa，頂板垂直應(yīng)力0.72 MPa;切頂高度15 m時(shí)，左幫垂直應(yīng)力8.7 MPa，頂板垂直應(yīng)力0.71 MPa。切頂高度為12 m、15 m垂直應(yīng)力相對(duì)較小，符合要求。

(a)切頂高度10 m

(b)切頂高度12 m

(c)切頂高度15 m圖2 不同切頂高度垂直應(yīng)力云圖Fig.2 Vertical stress nephogram at different roof cutting heights

隨著切頂高度的增加,圍巖垂直應(yīng)力逐漸變小，如圖3所示。

圖3 不同切頂高度頂板及左幫垂直應(yīng)力Fig.3 Vertical stress of roof and left side at different roof cutting heights

(a)切頂高度10 m

(b)切頂高度12 m

(c)切頂高度15 m圖4 不同切頂高度垂直位移云圖Fig.4 Vertical displacement nephogram at different roof cutting heights

圖5 不同切頂高度頂板及左幫垂直位移Fig.5 Vertical displacement of roof and left side at different roof cutting heights

圖4為不同切頂高度下垂直位移云圖，圖5為不同切頂高度頂板及左幫垂直位移。

由圖5可以看出,隨著切頂高度增加,圍巖垂直位移逐漸變小。切頂高度10 m時(shí),左幫垂直位移3.05 mm,頂板垂直位移23.8 mm。切頂高度12 m時(shí),左幫垂直位移3 mm,頂板垂直位移22.8 mm。切頂高度15 m時(shí),左幫垂直位移2.9 mm,頂板垂直位移22.5 mm。

由分析可知,切頂卸壓可以有效控制巷道圍巖變形破壞,為選擇合適的切頂高度,采用FLAC3D軟件模擬了切頂高度分別為10 m、12 m、15 m三種切頂情況,分別計(jì)算了三種切頂高度條件下巷道圍巖的應(yīng)力及變形、U型巷旁支護(hù)的壓力。通過(guò)對(duì)比分析,切頂高度12 m為合理的切頂高度。

3)頂板巖層結(jié)構(gòu)。通過(guò)鉆孔取芯進(jìn)行巖石力學(xué)性能測(cè)試，用巖石探測(cè)儀進(jìn)行鉆孔窺視,鉆孔深度0～12 m為泥巖,鉆孔完整、無(wú)裂隙,f為4.6左右,靠頂板壓力巖層折斷的可能性不大,需要爆破切頂來(lái)完成。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算、頂板冐落矸石碎脹系數(shù)計(jì)算及頂板巖層柱狀確定聚能爆破高度為12 m。

2.1.2聚能預(yù)裂爆破參數(shù)

1)鉆孔及爆破參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)的預(yù)裂爆破巖層厚度范圍12 m,確定鉆孔深度為12.5 m,封泥長(zhǎng)度為4.5 m,裝藥長(zhǎng)度為8 m。

鉆孔直徑:db=75 mm；藥卷直徑:de=45 mm.

按連續(xù)不耦合裝藥考慮線裝藥量:

式中:QL為線裝藥量,kg/m;ρ0為炸藥密度,取值1 120 kg/m3。當(dāng)藥卷直徑為45 mm時(shí),每米鉆孔線裝藥量為:QL=1.08 kg/m。

鉆孔間距由聚能管爆破后在鉆孔內(nèi)產(chǎn)生粉碎圈及裂隙圈半徑確定。根據(jù)計(jì)算粉碎圈及裂隙圈半徑計(jì)算及爆破試驗(yàn),采用Φ75 mm鉆孔,藥卷直徑Φ35 mm條件下,0.8 m為合理的爆破孔間距。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及有利巷旁支護(hù)的原則,鉆孔方位角為:

α=90°,β=80° .

式中：α為鉆孔中心線與巷道中心線的夾角;β為鉆孔中心線與水平面的夾角。

2)鉆孔布置。鉆孔布置暫按孔間距0.8 m布置,沿4102輔助進(jìn)風(fēng)巷頂板上設(shè)計(jì)的鉆孔連線單排布置。鉆孔連線平行于4102輔助進(jìn)風(fēng)巷中心線,與巷道中心線距離1.80 m,偏4102工作面回采側(cè)方向。從4102工作面切眼煤壁前方0.8 m開(kāi)始鉆孔、爆破,超前4102工作面停采線結(jié)束,共計(jì)697 m,孔間距0.8 m,共計(jì)鉆孔872個(gè)。

鉆孔上傾角80°,與巷道中心線夾角垂直，孔深4.5 m，爆破點(diǎn)距巷道中心線2.76 m,孔深12 m處爆破點(diǎn)距巷道中心線3.99 m。

3)起爆方式。一次最佳起爆爆破孔的個(gè)數(shù)為3～5孔。

2.2 巷旁支護(hù)

4102工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷選用U型鋼支架作為巷旁支護(hù),U型鋼巷旁支護(hù)具有一定的支撐能力、擋矸能力,并且具有一定的可縮性。

2.2.1U型鋼支架承載能力計(jì)算

1)數(shù)值模擬計(jì)算。采用FLAC3D根據(jù)4102輔助進(jìn)風(fēng)巷的生產(chǎn)地質(zhì)條件,在U型鋼間距0.5 m時(shí)通過(guò)模擬對(duì)10 m、12 m、15 m不同切頂高度下支架承載力應(yīng)力云圖(圖6)的變化可以看出,隨著切頂高度增加,支架承載力有明顯變化。在切頂高度為12 m時(shí)承載力為1 746 kN,承載力變化趨緩(圖7),較為經(jīng)濟(jì)合理。

(a)切頂高度10 m

(b)切頂高度12 m

(c)切頂高度15 m圖6 不同切頂高度支架承載力Fig.6 Bearing capacity of supports at different roof cutting heights

圖7 不同切頂高度巷道支架承載力變化Fig.7 Bearing capacity change of roadway support with Different Cutting Heights

2)分離巖塊法靜載計(jì)算。圖8為巷旁36U型鋼支架壓力計(jì)算模型。由圖8可以看出,要使沿空留巷保持穩(wěn)定,根據(jù)力矩平衡理論,被預(yù)裂爆破切斷的巖塊和巷旁36U型鋼擋矸支架對(duì)于煤層上右頂角A點(diǎn)處于力矩平衡狀態(tài)。

圖8 巷旁支護(hù)壓力計(jì)算模型示意圖Fig.8 Pressure calculation model of roadside support

由此可以計(jì)算巷旁支護(hù)需承受的載荷為:

式中:q為巷旁支護(hù)載荷，kN;b為巷旁支護(hù)內(nèi)側(cè)到煤幫的距離,即留巷寬度,取4.05 m;bp為巷旁支護(hù)寬度,取0.15 m;bc為巷旁支護(hù)外側(cè)懸頂距,取0.5 m;γ為頂板分離巖塊容重,取26 kN/m3;α為預(yù)裂面與水平面的夾角,8°;hD為頂板垮落高度,取12 m。

由計(jì)算可得,巷旁支架支護(hù)承受的載荷為:

Qk=1 184 kN/m .

巷旁支護(hù)載荷來(lái)源于頂板深孔預(yù)裂爆破預(yù)裂面斷開(kāi)的巖塊的重量和12 m以上巖層對(duì)巷旁擋矸支架支護(hù)的壓力,12 m以上巖層對(duì)巷旁擋矸支架支護(hù)的壓力與頂板下沉量及矸石冐落的密實(shí)度相關(guān)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),η在一般情況下為1～2,在設(shè)計(jì)沿空留巷巷旁支護(hù)時(shí)取1.5,這樣巷旁支護(hù)上的最大載荷為:

Qmax=1.5Qk=1.5×1 184=1 776 kN/m .

兩種方法計(jì)算的巷旁支護(hù)載荷基本一致。

2.2.2巷旁支護(hù)參數(shù)及安全系數(shù)計(jì)算

1)巷旁支護(hù)參數(shù)。根據(jù)巷旁支護(hù)承載力計(jì)算,巷旁支護(hù)選用U型鋼可縮性支架進(jìn)行支護(hù),巷旁支護(hù)參數(shù)為:U型鋼支架選用36U型鋼制作,36U截面積為45.70 cm2;理論線質(zhì)量為36 kg/m;材質(zhì)20MnVK,屈服強(qiáng)度390 N/mm2。每根支架分為兩段,上段焊接12#槽鋼為卡口,下段焊接300 mm×300 mm厚16 mm鋼板,兩段通過(guò)兩副卡蘭連接使用,支護(hù)使用時(shí)搭接長(zhǎng)度不小于500 mm,卡蘭間距為250 mm。

U型鋼支架沿巷旁支護(hù)的中心線架設(shè)1排,巷旁支護(hù)中心線與巷道中心線平行,偏采空區(qū)側(cè)2 100 mm。U型鋼支架間距為500 mm。頂梁為長(zhǎng)1 m的11#工字鋼,工字鋼卡在U型鋼上段焊接的槽鋼卡口內(nèi),采用“一梁兩柱”的頂板支護(hù)方式。

2)安全系數(shù)計(jì)算。U型鋼支架的承載力為:

Fe=Ee·S=390×106N/m2×45.7×10-4m2=1 782.3 kN .

式中：Fe為支架承載力;Ee為U型鋼屈服強(qiáng)度,取390 N/mm2;S為U型鋼支架截面積,取45.7 cm2。

每米巷道支設(shè)2根U型鋼支架,則每米巷道U型鋼支架對(duì)頂板的載荷為:

安全系數(shù):

2.3 采空區(qū)密閉

采空區(qū)密閉采用鋼筋網(wǎng)、高強(qiáng)纖維布、高分子噴涂材料三層結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合密閉結(jié)構(gòu)。

施工時(shí)先將高強(qiáng)纖維布用鐵絲附著在鋼筋網(wǎng)上,在安裝U型鋼支架時(shí)安裝在U型鋼的外側(cè),并用鋼絲與U型鋼固定在一起,保證兩側(cè)搭接不少于20 cm,與頂板搭接不小于20 cm。然后在高強(qiáng)纖維布表面噴涂一層2～3 mm的高分子材料,將高強(qiáng)纖維布粘結(jié)在頂板上,并封堵纖維布的空隙,在纖維布表面形成一層密閉涂層,起到隔絕采空區(qū)的作用。

該復(fù)合密閉結(jié)構(gòu)既有一定的強(qiáng)度,又具有一定塑性,在巷道圍巖變形條件下不會(huì)產(chǎn)生裂縫,可以有效密閉采空區(qū),起到隔絕采空區(qū)的作用。

3 沿空留巷效果

4102輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷已完成,共施工797 m,圍巖變形較小,沿空留巷回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于0.3%,取得了良好的效果。

3.1 沿空留巷圍巖變形

4102回風(fēng)順槽沿空留巷工程于2020年3月28日實(shí)施以來(lái),通過(guò)近幾個(gè)月的連續(xù)觀測(cè),巷道雖然存在變形現(xiàn)象,均可以滿(mǎn)足沿空留巷應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)。

從圖9可以看出,巷道頂、底板移近量在工作面后方60 m左右開(kāi)始穩(wěn)定,80 m左右已達(dá)到穩(wěn)定,頂、底板移近量為115 mm,占巷道高度2.4 m的4.7%,兩幫移近量更小,采空區(qū)側(cè)幫移進(jìn)量最大為17 mm,煤柱側(cè)巷幫移近量最大為45 mm;兩幫移近量為62 mm,僅占巷道寬度4.0 m的1.6%左右,巷道收縮率為5.1%。

圖9 巷道圍巖變形曲線Fig.9 Deformation curves of surrounding rock

在距離工作面80 m左右,巷道保持穩(wěn)定,不需要整修就可滿(mǎn)足4103工作面順槽的使用要求。

3.2 密閉采空區(qū)性能

經(jīng)過(guò)測(cè)試,采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為4%左右,采空區(qū)漏風(fēng)率為8%,采空區(qū)內(nèi)瓦斯進(jìn)入沿空留巷的量很小,正常情況下測(cè)得的沿空留巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.3%,證明沿空留巷采空區(qū)側(cè)密閉復(fù)合結(jié)構(gòu)密閉性能良好。

工作面推過(guò)之后,由于巷道圍巖變形,部分接茬部位出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,采用高分子噴涂材料進(jìn)行補(bǔ)噴,10～20 s內(nèi)迅速凝固,與原有密閉墻結(jié)合在一起,無(wú)接茬、無(wú)裂縫,保證良好的密閉效果。

4 結(jié)論

1)采用切頂卸壓技術(shù)后,坤龍煤業(yè)4102輔助進(jìn)風(fēng)巷巷旁支護(hù)的頂板壓力在1 776 kN/m巷道,巷旁支護(hù)采用間距500 mm的36U型鋼支架能滿(mǎn)足巷旁支護(hù)要求。

2)采用鋼筋網(wǎng)、高強(qiáng)纖維布、高分子噴涂材料3層結(jié)構(gòu)的復(fù)合封閉結(jié)構(gòu)既有一定的強(qiáng)度,又有一定的變形性能,適應(yīng)沿空留巷大變形巷道封閉采空區(qū)的需要。

3)坤龍煤業(yè)沿空留巷斷面收縮率僅為5.1%,具有良好的效果。

4)沿空留巷密閉采空區(qū)性能良好,漏風(fēng)率在8%以下,巷道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)僅為0.1%～0.3%。

5)坤龍煤業(yè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,選用切頂卸壓減輕巷道頂板壓力,U型鋼支架作為巷旁支護(hù),3層復(fù)合結(jié)構(gòu)封閉采空區(qū)等三種技術(shù)進(jìn)行沿空留巷,既節(jié)約了材料及運(yùn)輸費(fèi)用,施工簡(jiǎn)單,又取得了良好的效果,值得在類(lèi)似條件下的煤礦推廣應(yīng)用。