無(wú)巷旁充填沿空留巷連續(xù)協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)研究

高 建

(同煤集團(tuán) 朔州煤電有限公司小峪煤礦,山西 朔州 036000)

我國(guó)煤炭資源的回收率低,煤炭企業(yè)的資源回收率平均只有40%左右,存在較為嚴(yán)重的資源浪費(fèi)問(wèn)題,選擇先進(jìn)的采煤方法是實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效開(kāi)采的最有效途徑之一[1-2]。針對(duì)我國(guó)煤礦的開(kāi)采方法而言,實(shí)行連續(xù)開(kāi)采技術(shù)可以縮短工作面的搬家時(shí)間,可以在很大程度上提高工作效率,對(duì)于提高煤炭回收率具有重要意義。沿空留巷是實(shí)現(xiàn)工作面連續(xù)開(kāi)采的護(hù)巷方式,在生產(chǎn)過(guò)程中,回采擾動(dòng)會(huì)使礦壓顯現(xiàn)劇烈,沿空巷道要經(jīng)受二次采動(dòng)影響,對(duì)巷道的維護(hù)造成很大的困難。因此,沿空巷道的支護(hù)體系良好是保證實(shí)現(xiàn)工作面連續(xù)協(xié)調(diào)開(kāi)采的關(guān)鍵影響因素?，F(xiàn)在多數(shù)礦井的巷旁支護(hù)主要采用金屬可縮性支架、密集金屬支柱、木跺等手段,而這些支護(hù)手段存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械化程度不高、支護(hù)阻力低等缺點(diǎn),嚴(yán)重制約了沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用推廣[3-4]。因此,筆者以章村煤礦4224單翼采區(qū)為工程對(duì)象,對(duì)連續(xù)開(kāi)采的接替方式及巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究,對(duì)于形成科學(xué)無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采的技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)煤層的高產(chǎn)、高效、安全開(kāi)采具有一定的意義。

1 采區(qū)工程地質(zhì)概況

4224采區(qū)位于章村煤礦-200水平西翼下山區(qū)域,開(kāi)采煤層的2#煤層為薄煤層,煤層平均傾角為14°,平均厚度為1.3 m。2#煤直接頂為平均厚度為1.6 m的粉砂巖,老頂為平均厚度11 m的細(xì)砂巖,煤層直接頂與老頂均為較為堅(jiān)硬的砂巖,穩(wěn)定性好,利于工作面維護(hù),煤層直接底為平均厚度為5 m的含炭質(zhì)粉砂巖。2#煤層主要含水層為頂板砂巖含水層,本區(qū)正常涌水量為306 m3/h,最大涌水量為612 m3/h,水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,未發(fā)生過(guò)突水事故。在采區(qū)下部存在一小型褶曲,褶曲軸方向?yàn)楸逼珫|25°,對(duì)采區(qū)下部工程布置影響較大。4224采區(qū)是自上而下劃分為2404、2406、2408、2410工作面的單翼采區(qū),采區(qū)布置示意圖如圖1所示。

2 沿空留巷連續(xù)開(kāi)采方式的確定

根據(jù)4224采區(qū)工作面巷道布置方式,章村礦4224采區(qū)可采用跳采、煤柱護(hù)巷、沿空掘巷、沿空留巷等幾種連續(xù)開(kāi)采方式,此處,根據(jù)章村礦4224采區(qū)實(shí)際地質(zhì)及生產(chǎn)條件,以層次分析法作為理論基礎(chǔ),對(duì)4224采區(qū)最佳的接替方式及回采方式進(jìn)行分析,從多個(gè)指標(biāo)出發(fā),選擇最適合本采區(qū)的開(kāi)采方式。對(duì)于該問(wèn)題而言,總目標(biāo)為選擇最佳的工作面接替方式及回采方式,主要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及保護(hù)環(huán)境三個(gè)指標(biāo)出發(fā)。技術(shù)角度主要考慮技術(shù)可行性,在實(shí)施時(shí)的難度等,經(jīng)濟(jì)角度主要考慮方案所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益,環(huán)境方面主要考慮對(duì)環(huán)境的破壞。供選擇的方案有六個(gè):雙巷跳采、單巷跳采、雙巷留煤柱連續(xù)開(kāi)采、雙巷沿空掘巷連續(xù)開(kāi)采、單巷沿空掘巷連續(xù)開(kāi)采及單巷沿空留巷連續(xù)開(kāi)采,以此為基礎(chǔ),建立層次分析的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖1 2404采區(qū)布置平面圖Fig.1 Layout of No.2404 mining area

圖2 最佳接替方式選擇的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)Fig.2 Multilevel hierarchical structure selected by the optimal replacement method

3 無(wú)充填沿空留巷支護(hù)技術(shù)分析

3.1 無(wú)充填沿空留巷支護(hù)機(jī)理分析

選擇合理的支護(hù)方式是實(shí)現(xiàn)沿空留巷連續(xù)開(kāi)采的關(guān)鍵條件,根據(jù)上文地質(zhì)條件分析,4224采區(qū)具備頂?shù)装寰鶠橛捕容^高的砂巖、穩(wěn)定性好、礦井瓦斯涌出量小、水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單等利于實(shí)行無(wú)充填帶沿空留巷的支護(hù)方式的條件。為在采空區(qū)側(cè)取得較好的支護(hù)效果,巷道支護(hù)設(shè)計(jì)前,對(duì)采空區(qū)側(cè)巷幫測(cè)壓力進(jìn)行力學(xué)分析。巷道一側(cè)工作面回采后,頂板垮落成塊狀矸石體充填到采空區(qū)中,此時(shí),其力學(xué)特性由頂板巖體顆粒間的聯(lián)結(jié)力轉(zhuǎn)變成矸石塊相互間的嵌合阻力,因此可運(yùn)用土力學(xué)的粗粒土理論對(duì)采空區(qū)側(cè)巷幫的應(yīng)力形變及其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。根據(jù)土壓力理論,該支護(hù)結(jié)構(gòu)可概化為柱板式擋土墻[5]。采空區(qū)矸石在頂板垮落下沉過(guò)程中,會(huì)經(jīng)歷“矸石松散堆積-頂板下沉觸矸-矸石壓實(shí)”三個(gè)階段,根據(jù)土壓力理論,在上述過(guò)程中,矸石體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用力主要表現(xiàn)為兩種土壓力:一是在未接觸、矸石體只受自重應(yīng)力階段,表現(xiàn)為靜止土壓力,其值大小可用靜止土壓力公式計(jì)算;二是頂板巖層接觸并壓縮矸石階段,矸石體受自重應(yīng)力和上覆巖層壓力共同作用,表現(xiàn)為主動(dòng)土壓力[6]。矸石作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力隨著頂板巖層觸矸增大,當(dāng)側(cè)壓力大于支護(hù)結(jié)構(gòu)阻力時(shí),會(huì)引起采空區(qū)側(cè)巷幫產(chǎn)生滑動(dòng),巷道滑動(dòng)劇烈時(shí)會(huì)導(dǎo)致巷道變形失穩(wěn),因此,沿空留巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),要保證設(shè)計(jì)支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)阻力大于巷幫產(chǎn)生的側(cè)壓力,防止巷道變形失穩(wěn)?；谏鲜隽W(xué)分析,在巷道采空區(qū)側(cè)采用打設(shè)錨索并掛金屬網(wǎng)的手段防止采空區(qū)側(cè)矸石發(fā)生橫向位移擠壓巷道斷面,同時(shí)利用單體支柱配合鉸接頂梁加強(qiáng)采空區(qū)側(cè)巷道頂板支護(hù),達(dá)到使采空區(qū)側(cè)矸石形成“矸石垛”支撐沿空留巷頂板的目的。

3.2 巷道一次支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

一次支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),巷道頂錨桿確定為Φ22 mm高強(qiáng)度左旋螺紋錨桿,錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm,間排距為800 mm×800 mm,采用兩支規(guī)格分別為S2370和Z2335的樹(shù)脂藥卷全長(zhǎng)錨固,錨桿預(yù)緊力不小于80 N·m,同時(shí),采用鋼筋梯子梁,鐵絲網(wǎng),鋼質(zhì)托盤(pán)作為輔助支護(hù);巷道幫部錨桿采用Φ18 mm螺紋鋼普通錨桿,錨桿長(zhǎng)度為2000 mm,錨固劑選用CK2335、Z2335樹(shù)脂藥卷各一卷端頭錨固,幫錨桿預(yù)緊力不小于50 N·m。幫錨桿采用矩形布置,上幫每排布置4根,間距800 mm,頂角幫錨桿距頂200 mm,上部三根平行水平布置,底角幫錨桿向下傾斜20°。下幫每排布置三根,間距0.80 m,頂角幫錨桿距頂200 mm,上部?jī)筛叫兴讲贾?底角幫錨桿向下傾斜20°。

3.3 巷道二次支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

巷道支護(hù)系統(tǒng)在工作面回采期間,由于巷道在各階段所受采動(dòng)影響不同,因此,巷道的基本支護(hù)系統(tǒng)不可能完全適應(yīng)各個(gè)階段的圍巖應(yīng)力及巷道狀態(tài)的需求,因此,必須對(duì)巷道加強(qiáng)支護(hù)方式以保證巷道的穩(wěn)定性。根據(jù)章村煤礦工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律可知,巷道初次受到劇烈回采動(dòng)壓影響時(shí),巷道頂?shù)装逡平吭?50 mm,變形量大,待工作面推過(guò)之后,由于巷道采透,其整體性遭到破壞,巷道錨桿支護(hù)的減垮作用基本失效,二次支護(hù)的永久支護(hù)方式采用錨桿支護(hù)的作用不大。巷道臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)主要是對(duì)工作面前方受采動(dòng)劇烈影響距離到工作面煤壁后方120 m范圍內(nèi)的加強(qiáng)支護(hù),待采動(dòng)影響消失后即加以拆除。DZ-2500單體支柱配合雙銷(xiāo)鉸接頂梁的支護(hù)方式中的單體支柱工作阻力在20 t/根以上,支承強(qiáng)度大,對(duì)巷道頂?shù)鬃冃慰刂茝?qiáng),且支護(hù)方式易安裝拆除,減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,因此,根據(jù)章村煤礦4224采區(qū)具體的地質(zhì)特征,沿空巷道的二次支護(hù)采用錨網(wǎng)索配合單體支柱及鉸接頂梁的方式。此處以2404工作面為例闡述巷道二次支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)(支護(hù)示意圖如圖3所示)。

圖3 巷道二次支護(hù)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design drawing of the secondary support in roadways

補(bǔ)打錨索采用Φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線制作,錨索梁制作材料為16#槽鋼,錨索間排距為2.4 m×1.5 m,錨固劑選用樹(shù)脂藥卷,其中S2370一卷、Z2360兩卷,設(shè)計(jì)預(yù)緊力150 kN;采用DZ-2500單體支柱配合雙銷(xiāo)鉸接頂梁的支護(hù)方式加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù),采取順巷三排的打設(shè)方式,一梁兩柱,柱間距為600 mm。其中兩排打在巷道上幫,另一排打在巷道中心線下側(cè)附近,三排支柱距巷道中心線的距離分別為1.7 m、1.2 m、0.2 m。單體支柱打設(shè)時(shí)的初撐力大于90 kN,梁與頂板之間加墊2塊棚木。在巷道局部圍巖破碎段采用工字鋼棚加強(qiáng)支護(hù),梁長(zhǎng)2.8 m,上下幫分別為2.6 m、2.2 m柱腿,棚距1.0 m;在上幫第一排臨時(shí)支護(hù)側(cè)吊掛金屬網(wǎng)護(hù)幫,防止采空區(qū)矸石竄入巷道。

4 沿空留巷支護(hù)效果分析

為驗(yàn)證巷道支護(hù)效果,在工作面以外50 m、100 m、150 m分別設(shè)三個(gè)測(cè)站。對(duì)隨工作面推進(jìn)監(jiān)測(cè)巷道變形情況進(jìn)行觀測(cè)統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:沿空巷道兩幫及兩幫在5 m～30 m之間變形速度最快,在25 m處達(dá)到最大,最大變形速度分別為53 mm/d、57 mm/d。兩幫及頂?shù)装遄冃瘟吭? m～80 m范圍變形量較大,最大變形量分別為600 mm、800 mm。150 m后變形量逐漸趨于穩(wěn)定。表明,隨著工作面回采,采空區(qū)冒落矸石逐漸被壓實(shí),巷道圍巖的支承壓力影響范圍逐漸變大,峰值向內(nèi)移動(dòng),圍巖基本不再受到回采動(dòng)壓的影響,變形量趨于穩(wěn)定,變形速度降低,沿空留巷期間所采用的支護(hù)方式有效地阻止了巷道的變形,可完全滿足留巷的要求。

4-a 兩幫變形量

4-b 兩幫變形速度

4-c 巷道頂?shù)鬃冃瘟?/p>

4-d 頂?shù)鬃冃嗡俣葓D4 巷道變形觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Statistical results of deformation observation in roadways

5 結(jié)論

1)利用層次分析法對(duì)4224采區(qū)進(jìn)行計(jì)算分析,得出單巷沿空留巷連續(xù)開(kāi)采方式為4224采區(qū)最佳的接替方式。

2)提出在巷道采空區(qū)側(cè)采用打設(shè)錨索并掛金屬網(wǎng)的手段,同時(shí)利用單體支柱配合鉸接頂梁加強(qiáng)采空區(qū)側(cè)巷道頂板支護(hù),可使采空區(qū)側(cè)矸石形成“矸石垛”支撐沿空留巷頂板。

3)根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果,150 m后巷道的頂?shù)装?、兩幫變形量都保持某一固定?巷道在超過(guò)該距離后基本不受動(dòng)壓影響,沿空留巷期間所采用的支護(hù)方式有效地阻止了巷道的變形,巷道支護(hù)效果良好。

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