韓家灣煤礦沿空留巷技術(shù)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

白銘波，霍軍鵬，馬小寧，向海軍

(陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 神木 719315)

0 引言

傳統(tǒng)采煤工作面是采用2條掘進(jìn)巷道的回采方式，沿空留巷方式則是在本工作面回采的過程中將一條巷道保留下來作為下一工作面的回采巷道繼續(xù)使用，實現(xiàn)在下一工作面回采期間少掘一條巷道的目的，從而有效解決了采掘接替緊張的問題，同時由于工作面間不用再留設(shè)煤柱護巷，進(jìn)一步提高了礦井煤炭資源的回收率。因此沿空留巷技術(shù)已成為實現(xiàn)煤炭資源綠色、安全、高效開采的有效手段之一[1-4]。

前蘇聯(lián)、歐洲部分國家率先進(jìn)行沿空留巷試驗，對沿空留巷的基本問題如巷道圍巖變形、巷道支護方式等進(jìn)行了大量研究，為后續(xù)沿空留巷理論的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。我國于上世紀(jì)50年代便開始進(jìn)行沿空留巷試驗，通過借鑒國外沿空留巷經(jīng)驗并結(jié)合國內(nèi)礦區(qū)的地質(zhì)條件提出了多種沿空留巷方式，最初巷旁支護材料為矸石墻，巷內(nèi)支護結(jié)構(gòu)為木棚，之后隨著支護理論及支護材料的發(fā)展，巷旁支護及巷內(nèi)支護形式也由最初的被動支護逐漸改變?yōu)橹鲃又ёo方式，越來越多的支護材料和方式得到推廣及應(yīng)用[5-7]。

張農(nóng)教授等[8-9]以采場上覆巖層賦存情況為基礎(chǔ)，通過研究巷旁側(cè)采空區(qū)頂板的運動特征及頂板主動卸壓機理，結(jié)合支護系統(tǒng)剛度相互匹配的原則，提出了以預(yù)裂爆破卸壓、分區(qū)治理、圍巖結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及墻體快速構(gòu)筑為一體的沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)。何滿潮院士等[10-12]采用工作面切頂卸壓方式對巷道靠采空側(cè)頂板進(jìn)行超前預(yù)裂切縫，實現(xiàn)主動卸壓，并利用垮落的矸石自動形成巷幫。該技術(shù)在幾個礦井得到了推廣應(yīng)用，有效提高了煤炭資源利用率?？导t普院士等[13]通過對深部沿空留巷全過程包括巷道掘進(jìn)過程的支護設(shè)計、留巷段支護體受力和變形特征等的分析，指出了深部礦井沿空留巷在頂板斷裂位置、基本頂回轉(zhuǎn)及圍巖長期蠕變等方面與淺部礦井沿空留巷的區(qū)別，并提出了深部礦井沿空留巷支護設(shè)計原則[13]。為此，在借鑒前人沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合韓家灣煤礦的實際情況，提出適合韓家灣煤礦的沿空留巷技術(shù)。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件及沿空留巷設(shè)計方案

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

韓家灣煤礦214201綜采工作面位于4-2煤一盤區(qū)，其上部為3-1煤西翼3301及3302綜采工作面采空區(qū)，平均層間距約41 m。其北部為礦井井田邊界，西部為4-2煤一盤區(qū)回風(fēng)巷，南部為設(shè)計的214203工作面，東部為井田邊界。214201綜采工作面為4-2煤第1個回采工作面，采用綜合機械化一次采全高傾斜長壁采煤法，工作面走向長度1 975 m，停采線至1 550 m處工作面長度293.8 m，1 550～1 975 m處工作面長度197 m。214201工作面膠運巷、回風(fēng)巷及214203膠運巷斷面形狀均為矩形，巷道凈寬均為5.4 m，凈高均為2.45 m，采用錨網(wǎng)索支護方式。本著安全可靠、高效高產(chǎn)、綠色經(jīng)濟的原則，決定對214201工作面膠運巷進(jìn)行沿空留巷，工作面布置如圖1所示。

圖1 214201工作面布置

214201工作面煤層厚度1.85～1.95 m，平均厚度約1.9 m，煤巖層傾角約1.5°，屬于穩(wěn)定煤層。工作面煤層頂板主要由直接頂與基本頂構(gòu)成，直接頂為粉砂巖，厚度約0.4 m，基本頂以中粒砂巖為主，平均厚度約32.8 m，底板為灰色粉砂巖，厚度約11.5 m，煤層及頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

1.2 沿空留巷設(shè)計方案

在借鑒“110”工法的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井具體地質(zhì)情況，韓家灣煤礦提出了適合自身情況的沿空留巷設(shè)計方案，方案中主要包括以下幾點：①預(yù)裂爆破切頂卸壓；②留巷段巷道加強支護設(shè)計。214201工作面沿空留巷過程如圖2所示。

圖2 214201工作面沿空留巷示意

2 沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)及礦壓監(jiān)測方案

2.1 預(yù)裂爆破切頂卸壓

為減小214201工作面沿空留巷期間頂板及上覆巖層運動的壓力，需在工作面前方對頂板進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂卸壓，根據(jù)韓家灣煤礦具體地質(zhì)條件，所需切頂?shù)拇怪备叨瓤捎墒?1)確定。

(1)

式中，MZ為切頂高度，m；KA為冒落巖層的碎脹系數(shù)，取1.28；H為煤層高度，為1.9 m。

將數(shù)據(jù)代入公式中得到所需切頂?shù)拇怪备叨葹?.8 m，現(xiàn)場施工中為了方便操作，設(shè)計爆破鉆孔與頂板間水平夾角為60°，因此計算得鉆孔斜長L=6.8/sin60°=8 m。

設(shè)計鉆孔間距為0.6 m，每隔一個鉆孔進(jìn)行爆破，未爆破鉆孔作為觀測孔使用以驗證爆破效果，鉆孔內(nèi)裝藥段長度為6 m，封孔段長度為2 m，將乳化炸藥注入聚能管內(nèi)，單節(jié)聚能管長度一般為2 m或2.5 m，聚能管間采用專用連接件連接并固定，以確保聚能爆破方向與預(yù)裂面方向一致，裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 聚能切頂爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意

2.2 留巷巷道加強支護設(shè)計

實施沿空留巷的214201膠運巷原支護形式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，留巷期間為加強對頂板的支護，在靠近切頂側(cè)600 mm的位置處補打了一排長度為8 000 mm的切頂錨索，錨索排距為1 200 mm，并加入W型鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護。

工作面回采過后采空區(qū)頂板會隨之垮落，為了防止垮落矸石竄入巷道，采空區(qū)巷幫側(cè)采用“擋矸板+金屬網(wǎng)+U型鋼+單元支架+鋼管混凝土支柱”的形式進(jìn)行聯(lián)合支護。巷旁支護的整體效果如圖4所示。

圖4 巷道支護效果

2.3 巷道礦壓監(jiān)測方案

為全面了解214201工作面膠運巷沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)特征及規(guī)律，檢驗施工工藝的合理性，需對膠運巷進(jìn)行完整的現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括巷道頂板離層及錨桿、錨索受力情況，以及早發(fā)現(xiàn)頂板失穩(wěn)征兆，避免冒頂事故發(fā)生，同時還可為完善支護參數(shù)提供依據(jù)。在膠運巷內(nèi)共布置13組測站以監(jiān)測頂板離層及錨桿、錨索受力情況，其中每組測站內(nèi)包含多點位移計1件(位移計包含4個基點，每個基點間隔2 m，可監(jiān)測巷道上方頂板8 m內(nèi)的離層情況)，錨桿、錨索測力計各3個，均安裝在巷道頂板。測站具體布置方式如下：①自切眼至留巷段200 m處，每隔30 m設(shè)置一組測站，共計7組測站，測站編號依次為1#～7#；②留巷段200～1 000 m范圍內(nèi)每隔200 m設(shè)置一組測站，共計4組測站，該段測站只布置多點位移計；③留巷段1 000～2 000 m范圍內(nèi)每隔500 m設(shè)置一組測站，共計2組測站。監(jiān)測系統(tǒng)安裝效果，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)安裝效果圖

3 沿空留巷巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

隨著工作面的推進(jìn)，對2020年6月5日至10月18日期間(工作面累計推進(jìn)約500 m)1#～7#測站的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各測站中錨桿、錨索、離層儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖6～8所示。文中詳細(xì)分析2#～4#測站的情況。

3.1 錨桿受力狀況分析

分析圖6中各錨桿受力曲線可知，2#測站中1#～3#錨桿的初始預(yù)緊力分別為28 kN、20 kN、20 kN，隨著工作面的推進(jìn)，1#～3#錨桿的受力初期變化情況較平穩(wěn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到253 m時錨桿受力開始快速增長，推進(jìn)到323 m時錨桿受力增長開始變緩慢，此時受力分別上升到47 kN、42 kN、36 kN，上漲幅度分別達(dá)到了68%、110%、80%，可見2#測站處(距切眼約30 m)總體礦壓顯現(xiàn)明顯。3#測站中1#～3#錨桿的初始預(yù)緊力分別為5 kN、9 kN、15 kN，隨著工作面的推進(jìn)，各錨桿的受力在初期便急劇增長，工作面推進(jìn)至323 m處時錨桿受力分別達(dá)到32 kN、22 kN、45 kN，經(jīng)統(tǒng)計1#～3#錨桿的受力分別增長了540%、144%、200%，4#測站中1#～3#錨桿的初始預(yù)緊力分別為29 kN、30 kN、39 kN，隨著工作面的推進(jìn)，2#及3#錨桿的受力均在工作面推進(jìn)距離達(dá)到196 m時出現(xiàn)急劇增長，當(dāng)工作面推進(jìn)至323 m時其受力增長變緩，受力分別達(dá)到了63 kN、78 kN、77 kN，1#、2#及3#錨桿的受力分別增長了117%、160%、97%。5#～7#測站在安裝完成后其錨桿、錨索的初始預(yù)緊力較小，之后對錨桿進(jìn)行了二次預(yù)緊，隨著工作面的推進(jìn)，錨桿的受力出現(xiàn)小幅上升，上漲幅度均未超過50%。

圖6 各測站錨桿受力曲線

3.2 錨索受力狀況分析

分析圖7中各錨索受力曲線數(shù)據(jù)可知，2#測站中1#～3#錨索的初始預(yù)緊力分別為55 kN、45 kN、53 kN，隨著工作面的推進(jìn)，各錨索受力均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，同樣在工作面推進(jìn)到253 m時其受力急劇增大，工作面推進(jìn)到323 m時，分別增大到了93 kN、66 kN、87 kN，上漲幅度分別達(dá)到了69%、47%、64%。3#測站中1#～3#錨索的初始預(yù)緊力分別為66 kN、48 kN、52 kN，隨著工作面的推進(jìn)，1#～3#錨索的受力均持續(xù)增大并都出現(xiàn)了急劇上升的情況，工作面推進(jìn)至323 m處時其受力增長變緩，分別達(dá)到了95 kN、152 kN、174 kN，增長了約44%、217%、235%，4#測站中1#～3#錨索的初始預(yù)緊力分別為62 kN、47 kN、76 kN，隨著工作面推進(jìn)，1#、2#錨索受力明顯增大，3#錨索受力則持續(xù)減小，工作面推進(jìn)至323 m處時，1#～3#錨索的受力分別為87 kN、120 kN、27 kN，經(jīng)統(tǒng)計1#、2#錨索受力增長了41%、156%，3#錨索受力降低了60%。隨著工作面的推進(jìn)，5#～7#測站中有2根錨索的受力出現(xiàn)了下降，大部分錨索受力上升較明顯，當(dāng)工作面推進(jìn)到323 m處時7#測站中3#錨索的最大上升幅度達(dá)到了160%。

圖7 各測站錨索受力曲線

3.3 頂板離層狀況分析

觀察圖8中各測站頂板離層情況，發(fā)現(xiàn)離層儀安裝初期，各測站頂板中均未出現(xiàn)明顯離層情況，最大離層量均未超過1 mm，當(dāng)工作面推進(jìn)至323 m時，各測站均監(jiān)測到了明顯的較大離層，說明此時工作面經(jīng)過初次來壓和多次周期來壓后，上覆巖層發(fā)生了二次沉降，導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)了明顯離層，工作面推進(jìn)到323 m附近時，2#～4#測站的離層量達(dá)到了最大。其中1#測站中，頂板上方8 m測點處的離層量最大，為3.4 mm，說明對應(yīng)頂板上方6～8 m處離層量最大，4個測點的累計離層量為9.2 mm，即1#測站處，巷道上方8 m范圍內(nèi)的頂板下沉總量為9.2 mm。2#測站的4個測點中，頂板上方2 m測點處的離層量最大，為15.2 mm，2#測站處巷道上方8 m范圍內(nèi)的頂板下沉總量為20.4 mm。3#測站中頂板上方4 m測點處的離層量最大，為24.8 mm，4個測點的累計離層量為76 mm。4#測站中頂板上方4 m測點處的離層量最大，為64.8 mm，4個測點的累計離層量為122 mm。5#測站中頂板上方4 m測點處的離層量最大，為90.7 mm，4個測點的累計離層量為94 mm。6#測站中頂板上方8 m測點處的離層量最大為1 mm，4個測點的累計離層量為1.8 mm。7#測站中頂板上方4 m測點處的離層量最大，為0.7 mm，4個測點的累計離層量為2.3 mm。截止到9月24日，1#～7#測站中受初次來壓及周期來壓影響明顯的區(qū)域巷道頂板下沉量最大，最大下沉量達(dá)到了122 mm。

圖8 各測站離層變化情況

綜合分析7個測站中的錨桿、錨索受力情況及頂板離層情況，按礦壓顯現(xiàn)特征，可將沿空留巷全過程分為劇烈動壓影響區(qū)、穩(wěn)定變形區(qū)、二次采動影響區(qū)。在劇烈動壓影響區(qū)范圍內(nèi)由于工作面上覆巖層破斷運動及大范圍的巖層沉降，巷道圍巖變形和支護體受力增速較快，巷道在此階段內(nèi)極易產(chǎn)生大變形乃至失穩(wěn)，關(guān)系到整個沿空留巷工程的成功與否，因此應(yīng)重點加強此區(qū)域的巷道支護，受初次來壓及周期來壓的影響，韓家灣煤礦214201工作面的劇烈動壓影響區(qū)范圍最大可達(dá)323 m。在穩(wěn)定變形區(qū)內(nèi)頂板上覆巖層運動、沉降已趨于平穩(wěn)，該區(qū)域內(nèi)圍巖變形和支護體受力增速明顯變緩。二次采動影響區(qū)是指下一工作面回采后，受超前采動影響留巷巷道的變形、受力變化情況，此階段內(nèi)的巷道圍巖受力、變形情況后續(xù)還需持續(xù)觀測。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合韓家灣煤礦的具體生產(chǎn)地質(zhì)情況，借鑒前人的研究成果，確定214201膠運巷的沿空留巷采用超前預(yù)裂爆破切頂卸壓、“擋矸板+金屬網(wǎng)+U型鋼+單元支架+鋼管混凝土支柱”聯(lián)合支護的留巷方式。

(2)根據(jù)巷道礦壓監(jiān)測結(jié)果，214201膠運巷留巷情況良好，可將沿空留巷全過程分為劇烈動壓影響區(qū)、穩(wěn)定變形區(qū)、二次采動影響區(qū)。受初次來壓及周期來壓的影響，韓家灣煤礦214201工作面的劇烈動壓影響區(qū)范圍最大可達(dá)323 m，此階段內(nèi)錨桿受力最大漲幅為540%，錨索受力最大漲幅為235%，頂板最大離層量達(dá)到了122 mm，在此區(qū)域內(nèi)應(yīng)注意加強巷道支護。