沿空留巷支護技術及礦壓監(jiān)測研究

申海利,宋慧杰

(山西高河能源有限公司,山西 長治 047100)

煤礦沿空留巷是在煤礦開采中保留一些未采區(qū)域,便于進行通風、排水、瓦斯抽采等工作,能夠提高采煤效率、便于礦山管理、節(jié)約能源資源[1]。

康紅普等[2]對沿空留巷頂板垮斷因素進行了分析,為沿空留巷支護設計提供了新思路。何滿潮等[3]探索了不同的方法來研究沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性,包括長壁開采切頂短壁梁理論、切頂卸壓自動成巷技術。闞甲廣等[4]提出了一些支護技術和方法控制沿空留巷圍巖的變形和保持支護墻的穩(wěn)定性。李迎富等[5-7]則研究了沿空留巷圍巖的破斷現象和煤巷支護的基本準則。

基于高河礦使用沿空留巷方法開采W4301工作面的工程背景,提出了使用混凝土充填沿空留巷的對策,為煤礦沿空留巷提供了新的思路。

1 工程條件及支護概況

W4301工作面位于西四盤區(qū),煤層埋深為427～537 m,巷道斷面為矩形,支護采用錨網索+梯子梁支護形式,且與未開采的W4302工作面相鄰。在掘進過程中,4條回采巷共揭露14條斷層,其中W4301工作面巷道揭露Fw145、Fw146、Fw147、Fw149等斷層,其中Fw147斷層落差較大,嚴重影響采掘工作,且易導通含水層,引發(fā)突水事故。此外,工作面頂板k8砂巖和3號煤層頂板砂巖含水層富水性強,富水區(qū)面積較大。為發(fā)生防止礦井突水事故,亟待研究回采巷遇斷層圍巖穩(wěn)定性控制技術。

2 巷旁支護分析

在煤礦開采過程中,巷道頂板會因為回轉下沉而產生“給定變形”的特征。針對這一特征,提出了一種基于“側向動靜結合、縱向伸讓壓”的碎石巷幫穩(wěn)定性控制理念,并設計出了適用于平均6.8 m煤層的支護結構,包括可伸縮U型鋼、切頂護幫支架、防沖板和金屬網等。相鄰的可伸縮U型鋼之間采用金屬拉桿進行鉸接連接,以增強支護結構的整體穩(wěn)定性,并將側向荷載傳遞至單體支柱。具體的支護結構示意如圖1所示。

圖1 巷旁支護結構圖

3 巷內支護技術

3.1 留巷前巷內支護技術

W4301回風巷使用梯形斷面鋼棚支護。斷面上下寬分別為4.586 m和3.85 m,高為3 m,凈斷面上下寬分別為4.2 m和3.5 m,高為2.8 m.巷道采用12號工字鋼作為頂梁支撐材料,支腿選用29U型鋼,棚距為700 mm.為了防止頂板下沉,支架設計時預留了一定高度,以增加其強度。為了確保棚腿底部的穩(wěn)定性,使用200 mm×200 mm×50 mm柱窩,并在底板焊接200 mm×200 mm×10 mm的鋼板。根據巷道斷面形狀及圍巖條件設計合理的單體支柱間距。支撐用鋼勾上、下連鎖,頂部、幫體均為木背板勾頂背幫體,錯步依次排列。根據現場條件及頂板巖性選用合適的單體支柱。如遇地質情況,會使用木垛或者密集支架來強化超前支護。為了防止施工時產生變形和破壞,應根據不同地段設計合理的斷面型式,以適應現場條件。在路口采用抬棚支護,支設后用工字鋼和鋼筋混凝土進行二次加固。支護示意如圖2所示。

圖2 巷道支護示意(單位:mm)

3.2 留巷過程巷內支護

如圖3所示,在頂梁的支撐梁中,設置了3排長度為2 m和4 m的支柱,采取一梁兩柱,一梁四柱支撐,以避免Π型鋼梁和棚頂梁的滑移。添加了1層廢舊膠帶。此外,為保障巷道的穩(wěn)定,選用邁步式支架ZT32000/22/35進行護巷支架,支架安裝在長11.5 m、凈寬3.5 m、高2.8 m的硐室內。在接近采煤工作面5 m時,使用單體支柱和Π型鋼梁進行頂梁托換。為防止上分層工作面落矸石,采用了雙層網和金屬網加強支護,支護棚間距縮小到350 mm.此外,為保證巷道的安全,對于巷道的支護,采取了端頭支護的方式,將超前支護延伸至工作面。巷道內的3排Π型鋼梁支護不變。為了防止頂板下沉,支架設計時預留了一定高度,以增加其強度。護巷支架架設硐室如圖4所示。

圖3 超前支護、補強支護示意(單位:mm)

圖4 護巷支架安裝硐室示意

3.3 留巷后巷內支護技術

在進行礦山支護工作時,支架后需支撐,采用木托梁與單體柱聯合支護。支架上方安裝有鋼架棚頂網。木托梁的規(guī)格為長2 600 mm、寬150 mm、厚150 mm,與支護棚采用間隔1 200 mm的工字鋼頂梁錯開。在施工時通過調整錨桿位置及數量來滿足頂板控制要求。單體柱為一梁三柱的DW35-300/110類型。在施工過程中根據頂板來壓規(guī)律確定合理的錨桿安裝密度,確保圍巖穩(wěn)定。超前支承壓力主要分布在煤壁和頂板中,對頂煤起到良好的保護作用。它距巷道中心線925 mm,Π型鋼梁長4 m.由于受圍巖條件影響較大,在頂板垮落后仍有一部分煤柱存在,因此對采動支承壓力分布規(guī)律研究較少,但通過理論計算分析可確定合理的超前距和留巷角。木托梁支護示意,如圖5所示。

圖5 木托梁支護示意(單位:mm)

4 留巷礦壓分析

4.1 礦壓監(jiān)測方案

采用現場實測方法獲得巷道變形量和錨桿受力數據。具體布置如圖6所示。

圖6 測站布置示意

4.2 礦壓監(jiān)測結果

1) 巷道表面位移變化。在監(jiān)測圍巖收斂變形過程中,利用井字監(jiān)測法。監(jiān)測的內容主要有超前工作面和沿空掘巷兩部分。根據對現場實測資料的分析研究可知,在采動影響區(qū)煤柱中布置監(jiān)測點后,可以準確地反映出煤層回采前后煤巖層移動及變化情況。其中兩幫的移近量用收斂計測量,并利用頂板動態(tài)儀測量頂底板移近量。監(jiān)測結果見圖7.

圖7 巷道圍巖收斂變形監(jiān)測

在工作面推進的過程中,巷道兩側和頂部的移動變化趨勢大致相同。然而,由于受地質條件、巷道跨度和支撐強度等因素的不同影響,沿著空隙不同的位置,表面的移動變化表現出明顯的差異。例如,距開切眼356 m時圍巖的頂部和底部移動量最大達到了235 mm,而距開切眼147 m時頂底板的移動量最大為209 mm.同樣,距開切眼356 m時圍巖兩側的移動量最大達到了313 mm,而距開切眼147 m時斷面兩側的移動量最大為281 mm.另外巷道變形主要集中于采掘影響區(qū)域,且隨時間推移逐漸降低,最后趨于穩(wěn)定。

2) 支護棚壓力監(jiān)測。壓力表安裝于測站旁支撐棚棚腿及頂部梁,每個測站都配置了3組壓力表進行監(jiān)測。監(jiān)測結果如圖8所示,其中1號、2號、3號測站距切眼分別為55 m、110 m、169 m.在整個工作面回采期間,切眼與采場頂板之間存在著一個相對穩(wěn)定的空間,這個空間即為采空區(qū)邊界,該區(qū)域范圍內沒有明顯變化。1號a位置在巷道進口W4302一側的走向,1號b位置指向巷道進口W4301一側,2號a、2號b分別位于采空區(qū)W4302、W4301側。

圖8 3號測站支護棚壓力監(jiān)測

1號a位置和1號b位置先迅速下降,然后上升至穩(wěn)定值之后保持穩(wěn)定。2號a位置和2號b位置隨著距離工作面推進距離的增加變化不大,但整體呈上升趨勢,之后逐漸趨于平緩。最終各個測點壓力平衡時,2號a位置壓力>2號b位置壓力>1號a位置壓力>1號b位置壓力。

3) 單體支柱工作阻力變化。在各組測站共設置壓力監(jiān)測儀3臺。巷道圍巖變形量隨著時間變化不明顯。監(jiān)測結果如圖9所示。

圖9 3號測站單體柱工作阻力

3個單體柱工作阻力呈現出先下降后上升的趨勢,其中單體柱c在距離工作面50 m時工作阻力最大,達到30 MPa,之后迅速下降,然后緩慢上升,直至穩(wěn)定。單體柱b從20 MPa開始下降至最低,然后逐漸上升至10 MPa左右。單體柱起始壓力較低,緩慢上升至8 MPa左右保持平衡。每根支撐柱初始壓力不等,在不同采動作用下,造成支撐柱壓力變化大。

5 結 語

W4301工作面沿空留巷確保了通風正常,提高了作業(yè)速度。通過合理的支護設計,保證了穩(wěn)定性。研究結論如下:

1) 巷旁支護能夠減輕頂板壓力,提高混凝土支護彈性。同時巷旁支護強度符合圍巖變形的要求,利于圍巖控制。

2) 巷道中使用了鋼棚和Π型鋼梁、單體柱和其他金屬網的共同支撐,可實現留巷過程中巷道圍巖的穩(wěn)定性控制。

3) 通過監(jiān)測W4301工作面礦壓,揭示了礦壓顯現規(guī)律。有助于確定完善支護方案,為根據煤礦實際情況進行支護提供了參考。