白志兵
(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦,山西 興縣 033602)
長(zhǎng)期以來煤炭一直是我國(guó)的主體消費(fèi)能源,如何提高煤礦回收率、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家聚焦的話題之一。在傳統(tǒng)采礦中,采區(qū)內(nèi)一般留設(shè)煤柱進(jìn)行布置工作面,待工作面回采后,煤柱就遺留在采空區(qū)內(nèi),由此造成了大量煤炭資源的浪費(fèi)[1-2]。為此,相關(guān)專家學(xué)者大力提倡沿空留巷技術(shù)。沿空留巷是指將上工作面回采巷道采用一定的技術(shù)手段保留下來用作下工作面回采巷道使用,具有提高采區(qū)煤炭回收率、減少井下開拓工程量、緩解采掘接續(xù)緊張局面等優(yōu)點(diǎn),目前已得到廣泛應(yīng)用[3-5]。
斜溝煤礦18503 工作面位于15 采區(qū),位于集中皮帶下山延長(zhǎng)段北側(cè),東、西兩側(cè)均為實(shí)煤區(qū)。工作面開采煤層厚1.20~5.90 m,平均3.76 m,傾角7.2°~11.6°,平均9.7°。煤層直接頂為泥巖,厚0~3.55 m,平均1.88 m,呈灰色或灰黑色,性脆易碎,可見植物化石,局部相變?yōu)樘抠|(zhì)泥巖,局部變薄或尖滅;基本頂為中粗粒砂巖,厚7.95~17.79 m,平均13.90 m,呈灰白色,成分以石英為主,泥質(zhì)膠結(jié),厚層狀,巖層顆粒上細(xì)下粗,下部局部含礫;直接底為泥巖,厚度0~3.15 m,平均1.42 m,呈灰色或灰黑色,含植物根、莖化石,有時(shí)含砂質(zhì)或泥質(zhì),厚度不穩(wěn)定,局部尖滅;基本底為細(xì)中粗粒砂巖,厚度1.05~24.36 m,平均10.17 m,灰白色,中厚層構(gòu)造,中粒結(jié)構(gòu),成分以石英、長(zhǎng)石為主,巖層上部局部相變?yōu)榉凵皫r或細(xì)砂巖,巖層下部較粗。18503 工作面材料巷布置在工作面的東側(cè),與皮帶巷間距300 m,全長(zhǎng)7151 m,斷面為矩形,巷道掘進(jìn)寬5.0 m,高3.6 m。
為了提高采區(qū)內(nèi)煤炭回收率、緩解采掘接替緊張局面,采取支架后砌筑護(hù)巷墻體方式,將現(xiàn)18503 材料巷保留下來,用作下區(qū)段18505 工作面皮帶巷。
18503 材料巷采用巷幫充填方式進(jìn)行采空區(qū)側(cè)幫護(hù)巷,充填體充分接頂,寬度根據(jù)采高確定。當(dāng)采高大于3.5 m 時(shí),墻體充填寬度為3 m;采高小于3.5 m 時(shí),墻體充填寬度為2.5 m。工作面機(jī)尾移四個(gè)循環(huán)充填一次,充填步距3.2 m。采空區(qū)側(cè)充填模板采用木模板,木模板厚度為50 mm,木模板不進(jìn)行回收;靠巷道側(cè)充填模板采用鋼模板,充填體材料采用C30 混凝土。
(1)頂板超前支護(hù)
根據(jù)18503 材料巷頂板巖性特征和支護(hù)現(xiàn)狀,確定采用補(bǔ)打錨索進(jìn)行頂板加強(qiáng)支護(hù)。頂板支護(hù)范圍內(nèi)每2 m 錨索為2 根,錨索為直徑21.6 mm、長(zhǎng)度7.3 m 的鋼絞線。對(duì)支護(hù)失效的錨桿、錨索進(jìn)行二次預(yù)緊或補(bǔ)打。
(2)巷幫超前支護(hù)
為了防止采動(dòng)影響下巷道片幫,在材料巷上幫距底板1100 mm 往上補(bǔ)打兩排直徑21.6 mm、長(zhǎng)度5.5 m 鋼絞線,錨索間排距1500 mm×1600 mm,錨索配套W 型鋼帶并掛設(shè)金屬網(wǎng)。
(3)底板超前支護(hù)
為防止底鼓現(xiàn)象的發(fā)生,保證巷道底板的平整,材料巷底板采用底錨桿加強(qiáng)支護(hù)。錨桿規(guī)格為直徑22 mm、長(zhǎng)度2.2 m 的左旋高強(qiáng)錨桿,布置方式為七根花形,間排距為1200 mm×1100 mm,靠幫側(cè)2 根錨桿與底板成75°角斜向巷幫施工。
采用木點(diǎn)柱和單體液壓支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。
2.3.1 木點(diǎn)柱支護(hù)
(1)充填墻體靠采空區(qū)一側(cè)距墻體250 mm 支設(shè)一排密集木點(diǎn)柱,柱距500 mm,木點(diǎn)柱直徑不小于180 mm。此排木點(diǎn)柱位于采空區(qū)內(nèi),不進(jìn)行回收。
(2)充填墻靠巷道距幫部1650 mm、3300 mm支設(shè)兩排木支柱,柱距1000 mm,木點(diǎn)柱直徑不小于200 mm。其中靠上幫一排木支柱永久支護(hù)。
(3)支設(shè)木支柱時(shí)木支柱必須戴帽。
2.3.2 單體支柱支護(hù)
(1)超前工作面100 m 范圍內(nèi),采用單體支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),共計(jì)支設(shè)3 排,分別靠巷道側(cè)距墻體250 mm、2475 mm、4050 mm,柱距800 mm。單體支柱型號(hào)為DZ-38,初撐力不小于90 kN。
(2)充填墻體養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d,抗壓強(qiáng)度達(dá)到28 MPa 后,單體支柱可回收循環(huán)向前支護(hù)。
(3)單體支柱支設(shè)時(shí)必須穿鞋戴帽。
圖1 沿空留巷支護(hù)斷面圖
(1)采煤機(jī)正常割煤距機(jī)尾50 m 時(shí),沿空留巷段必須掛警示牌,設(shè)好警戒線,嚴(yán)禁任何人員進(jìn)入采空區(qū)段作業(yè)。
(2)正常推進(jìn)兩個(gè)循環(huán)后,將采煤機(jī)停止在距機(jī)尾50 m 外,方可進(jìn)行沿空留巷支護(hù)工作。
(3)沿空留巷作業(yè)時(shí),必須執(zhí)行先支護(hù)后作業(yè)的原則。
(4)砌墻及支護(hù)作業(yè)時(shí),嚴(yán)禁任何人員動(dòng)工作面機(jī)尾段支架。
(5)待沿空留巷支護(hù)及砌墻作業(yè)完畢,經(jīng)驗(yàn)收后,方可繼續(xù)組織生產(chǎn)。
采用設(shè)計(jì)的沿空留巷支護(hù)技術(shù)與方案在18503工作面材料巷進(jìn)行試驗(yàn),監(jiān)測(cè)了留巷巷道變形情況,如圖2 和圖3 給出了巷道圍巖累計(jì)變形和移近速度變形曲線。
如圖所示,根據(jù)巷道變形情況可分為四個(gè)區(qū)域:工作面超前支承應(yīng)力影響區(qū)、顯著變形區(qū)、緩慢變形區(qū)以及穩(wěn)定變形區(qū)。
超前支承應(yīng)力影響區(qū)位于超前工作面50 m 范圍內(nèi),受采動(dòng)影響,巷道開始出現(xiàn)變形。超前工作面20~50 m 范圍內(nèi),圍巖變形速度較小,頂板下沉速度在2.0 mm/d 以下,底板變形速度在2.2 mm/d以下,兩幫移近速度在2.1 mm/d 以下;超前工作面在20 m 范圍內(nèi),巷道變形速度快速增加,頂板下沉速度增加至3.0 mm/d 以上,底板變形速度增加至3.9 mm/d 以上,兩幫移近速度增加至7.4 mm/d 以上。超前工作面范圍內(nèi)巷道頂板累計(jì)下沉38 mm,底板累計(jì)變形42 mm,兩幫累計(jì)變形79 mm。
在滯后工作面范圍內(nèi),巷道變形速度快速增加后,逐漸減小并趨于穩(wěn)定。滯后工作面60 m 內(nèi)屬于顯著變形區(qū),在滯后工作面20 m 區(qū)域,巷道變形最為劇烈,該區(qū)域頂板下沉速度增加至5.5 mm/d 以上,底板變形速度增加至8.9 mm/d 以上,兩幫移近速度增加至12.5 mm/d 以上;滯后工作面60~120 m 范圍內(nèi)屬于緩慢變形區(qū),該區(qū)域巷道受到的采動(dòng)影響程度逐漸降低,圍巖變形速度大幅度降低;滯后工作面120 m 范圍外屬于穩(wěn)定變形區(qū),圍巖變形速度接近0,此時(shí),巷道頂板下沉量為125 mm,底板變形量178 mm,兩幫變形量為276 mm。
圖2 累計(jì)變形量曲線圖
圖3 移近速度曲線圖
沿空留巷技術(shù)可提高采區(qū)煤炭回收率,緩解采掘接替緊張局面,為此,設(shè)計(jì)了斜溝煤礦18503 材料巷巷幫充填沿空留巷支護(hù)技術(shù)與方案,包括材料巷沿空留巷墻體布置方式、超前加強(qiáng)支護(hù)、巷道支柱加強(qiáng)支護(hù)以及安全注意事項(xiàng)。技術(shù)應(yīng)用后,監(jiān)測(cè)巷道變形情況,據(jù)此將巷道變形分為四個(gè)區(qū)域:工作面超前支承應(yīng)力影響區(qū)、顯著變形區(qū)、緩慢變形區(qū)以及穩(wěn)定變形區(qū)??傮w看,巷道圍巖變形在允許范圍內(nèi),表明該技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了沿空留巷巷道圍巖的穩(wěn)定控制。