沿空留巷支護設計研究

康顯強

(山西高河能源有限公司，山西 長治 046102)

我國資源儲量豐富，整體能源格局為多煤、少油、貧氣。隨著多年的開采，煤炭資源的儲量日益減少，為解決煤炭資源消耗過快的問題，提出用清潔能源代替化石能源的目標。但由于我國清潔能源處于起步階段，風能、水能、太陽能等清潔能源無法直接替代化石能源，所以煤炭資源的開采仍是我國主要的能源消耗保障。在目前的煤炭市場環(huán)境下，煤炭做為不可再生的化石能源，節(jié)約煤炭資源、提高煤炭采出率已成為煤炭企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢[1-2]。采用沿空留巷無煤柱開采可增加煤炭資源回收率，提高煤炭企業(yè)服務年限，該方法被越來越多的礦井采納。此前眾多學者對不同切頂參數(shù)下巷道的穩(wěn)定性進行了研究，發(fā)現(xiàn)預裂切頂技術能夠有效提升煤炭資源的回收率，降低巷道圍巖變形和維護成本[3-4]。本文以高河礦為研究背景，對沿空留巷圍巖的支護進行研究，為礦井沿空留巷無煤柱開采提供一定的參考。

1 力學試驗研究

高河礦W1319工作面煤層總厚度為2～3 m，平均厚度為2.78 m，煤層賦存穩(wěn)定，全部可采。工作面煤層總體呈走向東北-西南，傾向東南的單斜構造，地層傾角變化不大，為1～10°，平均傾角6°。工作面煤層內有0～2層夾矸，黑色，裂隙較發(fā)育，條帶狀結構層理不發(fā)育，節(jié)理和裂隙比較發(fā)育；該煤層呈黑色，強玻璃光澤，斷口具階梯狀，容重1.40 t/m3，硬度為2.0左右。

現(xiàn)在回采的工作面，直接頂板為厚度2.7 m的灰?guī)r；老頂全區(qū)分布，巖性為K2石灰?guī)r，厚層狀，質堅硬，性脆，厚度1.40～13.55 m，303孔RQD值為36%，巖石質量為劣等，巖體完整性差，飽和抗壓強度為34.8～37.6 MPa，為中等穩(wěn)定頂板。

將采空區(qū)頂板垮落的巖石，進行力學試驗，將垮落巖石利用水鉆及打磨機制作成標準試件，利用壓力機對試件進行力學測試，試件及試驗圖見圖1。

圖1 試件及試驗

試件經(jīng)過打磨后，安裝至單軸壓力機，在進行試驗前，將壓力機的軸型座涂抹黃油，保證試件受力均勻，避免試件出現(xiàn)應力集中，發(fā)生剪切破壞，將試件進行編號，統(tǒng)計試件的抗壓強度如表1所示。

表1 抗壓強度試驗

同樣對頂板試件進行抗拉、抗剪強度的實驗，統(tǒng)計巖石的抗拉抗剪強度，如表2和表3所示。

表2 抗拉強度試驗

表3 抗剪強度試驗

根據(jù)地質報告提供的頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)和礦方送樣到實驗室測得的頂板巖石力學參數(shù)得知，頂板抗壓強度為45.4～58.1 MPa，平均50.34 MPa；抗拉強度為3.89～6.42 MPa，平均5.44 MPa；抗剪強度為13.67～17.06 MPa，屬于中等穩(wěn)定頂?shù)装?。根?jù)現(xiàn)場查看，本礦井地質構造較多，巷道頂板完整性變化較大，無節(jié)理裂隙段，在地質構造和節(jié)理裂隙發(fā)育段，頂板完整性較差，圍巖穩(wěn)定性較差，需要加強支護。

2 支護設計研究

工作面推進過程中，不同位置巷道受到的采動影響不同。工作面超前段會受到超前支承壓力的影響。工作面開采后，頂板開始垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸支護。隨著工作面繼續(xù)推進，當巷道距工作面較遠時，頂板運動基本會趨于穩(wěn)定，此時可將架后臨時支護的設備撤掉(或部分撤掉)，只進行擋矸支護即可。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，巷道沿空留巷可劃分為4個區(qū)：超前補強區(qū)，超前支護區(qū)(工作面前方20 m)，滯后臨時加強支護區(qū)(架后暫定0～200 m)和成巷穩(wěn)定區(qū)(架后暫定200 m之后)，如圖2所示。

圖2 沿空留巷區(qū)段劃分

為了保證留巷的穩(wěn)定性，根據(jù)巷道圍巖條件，結合現(xiàn)有支護參數(shù)，確定采取錨索補強支護，保證巷道的穩(wěn)定性。工作面采動影響可分為兩段，即超前采動影響和采動后影響。超前支護區(qū)位于工作面超前采動影響范圍內，滯后臨時支護區(qū)位于工作面煤壁后方。

頂板完整段錨索補強加固：在頂板補打2排錨索，錨索采用D21.8-1×19-8 000 mm鋼絞線。第一排補強錨索距留巷幫1 100 mm(9105工作面?zhèn)?，排距1 000 mm；第二排補強錨索距第一排錨索間距2 000 mm，排距2 000 mm。錨索均垂直于頂板方向布置，選用300 mm×300 mm×16 mm的托盤。

第一排和第二排同時有錨索時，錨索之間用W鋼帶連接(W鋼帶垂直于巷道軸向)。W鋼帶規(guī)格：寬度280 mm、長度2 400 mm、孔間距2 000 mm、厚度3 mm。錨索使用1卷MSCK2360和2卷MSK2360樹脂錨固劑錨固，錨索錨固力不小于500 kN，預緊力不小于150 kN。

頂板裂隙段錨索補強加固：重新補打2排錨索，錨索采用D21.8-1×19-8 000 mm鋼絞線，補打后錨索排距1 000 mm，間距2 000 mm，第一排補強錨索距留巷幫1 100 mm(9105工作面?zhèn)?，錨索均垂直于頂板方向布置，選用300 mm×300 mm×16 mm的托盤。

錨索之間用W鋼帶連接(W鋼帶垂直于巷道軸向)。W鋼帶規(guī)格：寬度280 mm、長度2 400 mm、孔間距2 000 mm、厚度3 mm。錨索使用1卷MSCK2360和2卷MSK2360樹脂錨固劑錨固，錨索錨固力不小于500 kN，預緊力不小于150 kN。支護斷面如圖3所示。

圖3 頂板支護斷面示意(mm)

根據(jù)沿空留巷技術要求，在巷道內進行巷道表面位移監(jiān)測、巷道頂板離層監(jiān)測、錨索受力監(jiān)測和巷道單體液壓支柱載荷(含活柱下縮量)監(jiān)測四種監(jiān)測手段。距切眼每50 m設1個測站；每個測站由1套頂板離層監(jiān)測儀、1套錨索受力監(jiān)測儀和4個巷道表面位移測點組成。

經(jīng)過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，沿空留巷實現(xiàn)了無煤柱開采，消除了煤柱影響區(qū)的應力集中，防止礦井發(fā)生沖擊礦壓或煤與瓦斯突出，最大限度地減少了采空區(qū)遺煤，降低了礦井自燃發(fā)火幾率，有利于礦井防止內因火災，從根源上改善礦井安全生產(chǎn)環(huán)境。每個回采工作面可以少掘1條巷道，回采巷道掘進率降低40%以上，極大地緩解了礦井采掘銜接矛盾。采區(qū)內部實現(xiàn)連續(xù)開采，簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，礦井開采安全可靠性顯著提高，向本質安全型礦井的建設目標邁進了一大步。

3 結 語

本文通過物理實驗給出了巷道頂板的抗拉、抗壓及抗剪強度，在礦山原有支護的基礎上，提出以“巷道提前錨索補強加固，靠近工作面幫(采空區(qū)側)采用單體液壓支柱配合十字鉸接頂梁的支護方案”。通過驗證發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過支護后，有效改地善了礦井安全生產(chǎn)環(huán)境，為礦井創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟效益。