深部高應(yīng)力礦井柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)研究

趙中玲,王向陽

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)陽泉有限公司,山西 陽泉 045000)

工作面回采時(shí),保留沿空留巷可以改善礦井安全生產(chǎn)條件,用“一進(jìn)兩回”偏“Y”型通風(fēng)方式代替“U”型通風(fēng),解決了“U”型通風(fēng)工作面瓦斯積聚超限的難題。采用沿空留巷還能夠回收護(hù)巷煤柱,提高資源回收率27%以上,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),利用沿空留巷實(shí)現(xiàn)無煤柱開采,沒有了煤柱區(qū)的應(yīng)力集中影響,消除了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)威脅,更容易維護(hù)被保護(hù)層巷道[1-2]。

煤層埋深越大,沿空巷道圍巖變形越劇烈,應(yīng)力水平高,塑性區(qū)范圍也隨之?dāng)U大[3]。留巷圍巖體經(jīng)過兩次采動(dòng)應(yīng)力的影響,變得相當(dāng)破碎,相應(yīng)的巷旁支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)、澆筑空間維護(hù)等加強(qiáng)支護(hù)極為關(guān)鍵,對(duì)沿空留巷的成功與否起決定性作用[4-5]。

采用柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù),使工作面巷道的煤巖體受到卸壓作用影響,處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。柔?；炷裂乜樟粝锪糇飨噜徆ぷ髅骓槻巯锏?減小了巷道維護(hù)量及掘進(jìn)量,并大大提高資源回收率[6-7]。本文主要介紹柔模混凝土沿空留巷的使用情況,并根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)深部煤炭資源開采有借鑒和參考價(jià)值。

1 柔?；炷裂乜樟粝锿L(fēng)系統(tǒng)調(diào)整

柔模混凝土沿空留巷技術(shù)應(yīng)用于某煤礦的15108工作面,該礦屬于煤與瓦斯突出礦井,主采沁水煤田8號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層,現(xiàn)采15號(hào)煤層。

15#煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)地層中,屬簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層。煤層厚度為2.92～5.10 m,平均厚度約4 m,煤層傾角在0°～13°,埋深范圍為743～876 m,為深部開采。實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力為26.68 MPa,最小水平主應(yīng)力為14.36 MPa,垂直應(yīng)力為18.79 MPa,屬于高應(yīng)力區(qū)。

15108 綜采工作面沿空留巷試驗(yàn)期間,需將原來工作面的通風(fēng)系統(tǒng)由原單“U”型“一進(jìn)一回”調(diào)整為偏“Y”型“一進(jìn)兩回”。通過打開回風(fēng)順槽與抽采巷五橫貫閉墻,使沿空留巷內(nèi)回風(fēng)流經(jīng)五橫貫至15108 抽采巷,匯入15 號(hào)煤回風(fēng)大巷,形成偏“Y”型“一進(jìn)兩回”的工作面通風(fēng)系統(tǒng),如圖1所示。即進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)風(fēng),回風(fēng)順槽及沿空留巷回風(fēng),解決上隅角瓦斯超限的難題,稀釋回風(fēng)巷瓦斯含量,保證工作面安全、高產(chǎn)、高效。

圖1 沿空留巷試驗(yàn)期間通風(fēng)系統(tǒng)圖

2 沿空留巷順槽支護(hù)及工作面超前支護(hù)

沿空留巷是在15108工作面回風(fēng)順槽的回采段進(jìn)行重新支護(hù)而形成的巷道。其穩(wěn)定性受原始支護(hù)以及回采工作面前方的超前支護(hù)方式的影響[8-10]。

15108工作面回風(fēng)順槽沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn),矩形斷面,巷道規(guī)格為:寬4 200 mm,高4 000 mm,斷面積S=16.8 m2。采用高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性的現(xiàn)代錨桿支護(hù)理念,保證了支護(hù)效果,大幅度減小巷道的圍巖變形與破壞,為沿空留巷創(chuàng)造了良好的巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境。

2.1 原始支護(hù)

該順槽頂板支護(hù)采用“錨索-菱形網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)。錨索間距900 mm,排距800 mm。錨索采用Φ21.8 mm×5 200 mm的1860級(jí)鋼絞線。

兩幫支護(hù)采用“錨索-錨桿-菱形網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)。兩幫支護(hù)排距均為800 mm,煤柱幫間距為1 000 mm;回采幫間距為800 mm。錨索采用Φ17.8×4 200 mm的1860級(jí)鋼絞線;錨索托盤采用高強(qiáng)度可調(diào)心托盤配調(diào)心球墊(300 mm×300 mm×12 mm);錨索錨固劑為MSZ-23-120型;錨桿采用Φ18 mm×2 500 mm圓鋼麻花錨桿。

2.2 超前加固支護(hù)

在超前回采工作面50 m以外、超前壓力顯現(xiàn)之前,對(duì)回風(fēng)順槽進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。在頂板補(bǔ)打3根錨索,鋪設(shè)雙層菱形金屬網(wǎng)。錨索規(guī)格:Φ21.8 mm×9 200 mm的1860級(jí)鋼絞線,初始張拉力不小于300 kN。頂板鋪設(shè)雙層菱形金屬網(wǎng),金屬網(wǎng)規(guī)格6 300 mm×1 000 mm。15108回風(fēng)順槽加強(qiáng)支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2 15108工作面回風(fēng)順槽超前加固支護(hù)

3 柔模混凝土沿空留巷圍巖控制技術(shù)

在回采工作面的回風(fēng)順槽一側(cè),澆筑混凝土墻,采用三維紡織結(jié)構(gòu)柔性模板構(gòu)筑沿空留巷[11]。沿空留巷寬度2 m,巷高4 m,留巷斷面S=8 m2,巷旁柔?；炷林ёo(hù)寬度1.5 m。

三維紡織結(jié)構(gòu)柔性模板由袋外加筋纖維和袋內(nèi)拉筋組成,是混凝土材料的預(yù)成型體,設(shè)有自閉注漿口,具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高、施工方便等特性。

選擇高流動(dòng)性、自密實(shí)、早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹的煤礦用高性能混凝土,混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于CF40。

對(duì)拉錨栓栓體采用Φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼,鋼號(hào)為500號(hào),兩端螺紋規(guī)格M24,螺紋長(zhǎng)度不小于125 mm,栓體長(zhǎng)度1 700 mm。每排布置5根錨栓,間排距750 mm×700 mm,垂直墻面安設(shè)。柔模墻體澆筑成型兩天后施加300 N·m預(yù)緊扭矩。對(duì)拉錨栓下襯防剪切加強(qiáng)鋼筋鋼帶。鋼帶由Φ16 mm圓鋼焊接而成,扣距80 mm。三維紡織結(jié)構(gòu)柔性模板的結(jié)構(gòu)及澆筑效果如圖3所示。

1-主體模板;2-接頂模板;3-中部翼緣;4-豎向翼緣;5-灌注口;6-錨栓孔;7-排水孔(瓦斯抽放孔);8-植筋口;9-連接繩;10-翼緣套筒(放架立筋);11-邊翼緣

4 柔?；炷裂乜樟粝镏ёo(hù)效果

4.1 沿空留巷圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)

為觀測(cè)柔?；炷翂w的支護(hù)效果,設(shè)置了3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。其中,1#測(cè)點(diǎn)位于五橫貫以北1.5 m(2#柔模),2#測(cè)點(diǎn)位于五橫貫以北82.5 m(30#柔模),3#測(cè)點(diǎn)位于五橫貫以北172 m(60#柔模)。

圍巖收斂變形監(jiān)測(cè),主要包括頂板下沉量、底臌量、幫臌量和墻移近量等。超前回采工作面50 m進(jìn)行安設(shè),采用十字監(jiān)測(cè)法監(jiān)測(cè)圍巖收斂變形,監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括超前工作面巷道位移和沿空巷道位移兩部分,頂?shù)装逡平坎捎庙敯鍎?dòng)態(tài)儀進(jìn)行量測(cè),兩幫移近量采用收斂計(jì)量測(cè)。沿空留巷期間巷道圍巖收斂變形規(guī)律如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)“距煤壁距離”為測(cè)點(diǎn)距回采工作面煤壁距離,超前工作面為負(fù)數(shù),滯后工作面為正數(shù),隨回采工作面推進(jìn),橫坐標(biāo)逐漸增大。

(a)1#測(cè)點(diǎn)圍巖收斂變形規(guī)律

如圖4(a)所示,1#測(cè)點(diǎn)頂板下沉量411 mm,頂板下沉量在滯后工作面60～80 m內(nèi)變化較大,之后較平穩(wěn)；底臌量1 025 mm,底臌量在滯后工作面20～100 m范圍內(nèi)時(shí)變化較大；墻移量255 mm,幫臌量183 mm，墻移量和幫臌量較小,變化不明顯。

如圖4(b)所示,2#測(cè)點(diǎn)頂板下沉量325 mm,頂板下沉量滯后工作面100 m及155 m時(shí),有顯著增加；底臌量1 486 mm,底臌量滯后工作面43 m及100 m時(shí)增大較為明顯,滯后工作面沿空留巷內(nèi)壓力較大,巷道變形較為明顯；墻移量變化不明顯,幫臌量616 mm,在滯后工作面113 m及152 m時(shí)呈臺(tái)階式上升。

如圖4(c)所示,3#測(cè)點(diǎn)頂板下沉量120 mm,頂板下沉量較?。坏纂?25 mm,底臌量在滯后工作面45 m、80 m、140 m時(shí),變化較大,臺(tái)階式上升,墻移量和幫臌量較小。

最大頂板下沉量為1#測(cè)點(diǎn),頂板下沉量為411 mm；最大底臌量為2#測(cè)點(diǎn),底臌量為1 486 mm;最大幫臌量為2#測(cè)點(diǎn),幫臌量為616 mm。

底臌、幫臌是巷道變形的主要因素,該礦15#煤層直接頂為K2石灰?guī)r,該巖層內(nèi)部節(jié)理發(fā)育,在受礦壓影響后易發(fā)生破碎。15108工作面回風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前,部分地段頂板就有開裂、下沉現(xiàn)象，雖然進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),但在受到滯后壓力影響后,仍發(fā)生了比較明顯的變化。在施工沿空留巷前,巷道部分地段幫部煤體已破碎并形成網(wǎng)包,在綜采工作面滯后壓力影響下,變化尤為明顯。但從圖4 的曲線可以看出,采用柔性混凝土連續(xù)墻支護(hù)后,除底臌比較明顯外,頂板下沉量、墻移量、幫臌量均比較小,說明在高應(yīng)力條件下,先柔后剛的支護(hù)方式能極大程度地控制巷道的變形。

4.2 沿空留巷墻體錨栓應(yīng)力監(jiān)測(cè)

在柔模混凝土墻體的對(duì)拉錨栓上設(shè)置2個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中,1#測(cè)點(diǎn)位于五橫貫以北4.5 m(3#柔模),2#測(cè)點(diǎn)位于五橫貫以北44.5 m(15#柔模)。墻體澆筑完成后在柔?；炷翂w中部安設(shè)錨栓測(cè)力計(jì),安裝孔徑和量程與錨栓技術(shù)參數(shù)匹配,用以監(jiān)測(cè)回采和留巷過程中錨栓工作阻力的變化規(guī)律,沿空留巷墻體錨栓應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線如圖5所示。

(a)1#測(cè)點(diǎn)墻體應(yīng)力檢測(cè)

如圖5(a)所示,1#測(cè)點(diǎn)滯后工作面50～80 m時(shí),墻體錨栓壓力迅速上升達(dá)至180 kN,之后迅速下降。滯后工作面85～140 m,壓力線性上升至210 kN,趨于穩(wěn)定。

如圖5(b)所示,2#測(cè)點(diǎn)滯后工作面22～105 m時(shí),墻體錨栓壓力緩慢上升至40 kN,趨于穩(wěn)定。

通過2個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示,留巷段柔模墻體壓力變化比較緩慢,且未發(fā)現(xiàn)周期性壓力變化。從現(xiàn)場(chǎng)來看,沿空留巷墻體基本未發(fā)生破壞性變化,柔模墻體的強(qiáng)度與支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期效果。說明在高應(yīng)力條件下,柔?；炷翂υ谀坛跗谝约坝不^程中與頂板壓力達(dá)到適度的協(xié)調(diào),從而緩沖了周期性壓力對(duì)混凝土墻體的破壞,提高混凝土墻體的自愈能力。而在凝固后期,墻體強(qiáng)度增強(qiáng),側(cè)向壓力逐漸增大。與普通混凝土墻體相比,自愈能力提高10%,峰值強(qiáng)度提高17%～23%,殘余強(qiáng)度提高57%～71%[12-13]。

5 結(jié)論

1)采用錨、網(wǎng)、索進(jìn)行基本支護(hù),單體臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù),柔?；炷翗?gòu)筑巷旁支護(hù),可以實(shí)現(xiàn)最大水平主應(yīng)力26.68 MPa、垂直應(yīng)力18.79 MPa的高應(yīng)力環(huán)境下的沿空留巷,為其他相似環(huán)境礦井提供借鑒。

2)深部高應(yīng)力巷道受回采及留巷影響明顯,圍巖變形較劇烈,主要表現(xiàn)為幫臌及底臌等。柔?；炷裂乜樟粝锵锱灾ёo(hù)與普通混凝土相比,自愈能力提高10%,峰值強(qiáng)度提高17%～23%,殘余強(qiáng)度提高57%～71%。

3)柔?；炷料锱灾ёo(hù)為先柔后剛巷旁支護(hù),具有較大初撐力及適當(dāng)可縮量的特性,并繼承了混凝土后期支護(hù)的剛性。實(shí)現(xiàn)了切頂卸載后巷道變形量小,巷道支架受力小,維修費(fèi)用較低。