綜放工作面沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

楊 丁

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 屯蘭煤礦,山西 古交 030200)

我國(guó)采煤工作面絕大部分采用U型通風(fēng)方式,因而上隅角瓦斯易積聚,導(dǎo)致瓦斯超限。另外,目前我國(guó)仍然采用大煤柱護(hù)巷的方法,造成了煤炭資源浪費(fèi),尤其是厚煤層開(kāi)采的礦井煤炭資源損失更大。因此,上隅角瓦斯超限與大煤柱護(hù)巷已成為制約礦井高產(chǎn)高效的關(guān)鍵,而沿空留巷技術(shù)可徹底解決上述問(wèn)題。采煤工作面沿空留巷時(shí),因開(kāi)采而引起上覆頂板巖層大范圍的劇烈活動(dòng),使得沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制的難度很大,難以保證巷道安全穩(wěn)定。不少專家學(xué)者對(duì)沿空留巷的頂板活動(dòng)規(guī)律[1-4]、巷道變形特征以及支護(hù)技術(shù)[5-7]、充填體的構(gòu)建[8-10]等進(jìn)行了大量的研究,但沿空留巷的穩(wěn)定性以及充填體的構(gòu)建仍是一個(gè)亟待研究的難題。因此,以常村煤礦S5-11工作面沿空留巷為工程背景,采用理論分析、數(shù)值模擬等方法,研究其覆巖破壞特征,給出留巷圍巖控制關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)沿空留巷在常村煤礦的成功應(yīng)用。

1 工作面概況

常村煤礦S5-11工作面位于3#煤層,煤層平均厚度約為6.1 m,煤層傾角0°～6°,S5-11綜放面煤層埋藏深度為423 m～470 m,平均埋深約450 m,采高為3 m,工作面長(zhǎng)度為247 m。為減少厚煤層開(kāi)采的區(qū)段煤柱損失,提出沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù),在S5-11工作面皮帶運(yùn)輸巷內(nèi)構(gòu)筑充填體,沿空留巷實(shí)施后作為S5-10工作面軌道運(yùn)輸巷,不再留設(shè)煤柱以及掘進(jìn)軌道運(yùn)輸巷,實(shí)現(xiàn)厚煤層工作面無(wú)煤柱開(kāi)采,S5-11工作面位置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 S5-11工作面位置示意圖Fig.1 S5-11 working face location

2 綜放面沿空留巷覆巖破壞特征

隨著采煤工作面的不斷回采,工作面頂板會(huì)形成“O-X”破斷,破斷的頂板以實(shí)體煤幫一側(cè)為支點(diǎn),向采空區(qū)側(cè)旋轉(zhuǎn)下沉,直至觸矸后形成新的平衡狀態(tài)(見(jiàn)圖2),此時(shí)在巷道附近采空區(qū)側(cè)會(huì)形成一個(gè)低應(yīng)力區(qū),為沿空留巷創(chuàng)造條件。當(dāng)采空區(qū)有充填體支承時(shí)(見(jiàn)圖3),在充填體的作用下,巷道頂板下沉量減小,頂板離層現(xiàn)象減弱,甚至直接頂與基本頂之間出現(xiàn)離層現(xiàn)象。因此頂板和煤幫支護(hù)及充填體所提供的支護(hù)阻力大小將是沿空留巷是否成功的關(guān)鍵因素。

3 充填體穩(wěn)定性研究

為了確定充填體的合理參數(shù),采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬充填體寬度為1.2 m、1.6 m和2.0 m以及充填體強(qiáng)度為10 MPa、20 MPa和30 MPa時(shí)充填體的穩(wěn)定性。模型傾向長(zhǎng)247 m,走向長(zhǎng)100 m,高度為100 m,煤層厚為6.1 m,煤層底板位于模型z=40 m處,模型四周邊界限定水平方向位移,模型底部限定豎直方向位移,模型頂部施加等于覆巖重力的均布載荷8.75 MPa,模型見(jiàn)圖4。

圖2 綜放面覆巖破壞結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Failure features of overlying strata in fully-mechanized mining face

圖3 綜放沿空留巷覆巖破壞結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Failure features of overlying strata in gob-side entry retaining in fully-mechanized mining face

圖4 數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Numerical simulation model

3.1 充填體寬度模擬結(jié)果

當(dāng)巷旁充填體寬度不大于1.2 m時(shí),巷旁充填體承載能力較小,無(wú)法阻止頂板下沉,綜放沿空留巷圍巖變形量較大;當(dāng)巷旁充填體寬度不小于1.6 m時(shí),沿空留巷頂煤(板)下沉量顯著縮小,隨著巷旁充填體寬度的進(jìn)一步變大,巷旁充填體及頂板的下沉量縮小,但減小的幅度趨緩,并且在巷旁充填體寬度擴(kuò)展的同時(shí),巷旁充填體承載能力顯著增強(qiáng)。

3.2 充填體強(qiáng)度模擬結(jié)果

當(dāng)充填體強(qiáng)度為10 MPa時(shí),巷旁充填體在頂板劇烈活動(dòng)后很快失穩(wěn);當(dāng)充填體強(qiáng)度為20 MPa時(shí),巷旁充填體變形量較大,沿空留巷圍巖基本穩(wěn)定;當(dāng)充填體強(qiáng)度為30 MPa時(shí),巷旁充填體是穩(wěn)定的,整體圍巖控制效果較好。

由數(shù)值模擬的結(jié)果可得,在保證充填體穩(wěn)定的前提下,充填的寬度為1.6 m,抗壓強(qiáng)度應(yīng)為30 MPa。

4 沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)

沿空留巷的成功與否取決于頂板上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律,通過(guò)對(duì)巷道頂板巖層的結(jié)構(gòu)分析,將巷道布置在應(yīng)力較低的環(huán)境中,并采取有效的圍巖控制措施,將巷道的圍巖變形控制在合理范圍內(nèi),保證巷道在有效使用期限內(nèi)的安全穩(wěn)定。

4.1 巷道的支護(hù)方式

沿空留巷基本支護(hù)采用高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿、錨索協(xié)調(diào)支護(hù)的控制方法,部分錨桿傾斜安裝,增加錨桿、錨索之間的聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)幫頂?shù)淄氐目刂茖?duì)策,部分應(yīng)力較大地段,及時(shí)用單體支柱進(jìn)行支護(hù)。

4.2 留巷支護(hù)時(shí)空控制對(duì)策

隨著工作面回采工作的進(jìn)行,沿空留巷在不同時(shí)間以及不同位置受到的應(yīng)力大小也不盡相同。一般來(lái)說(shuō),受到工作面回采支承壓力的影響,沿空留巷支護(hù)一般可以分為四個(gè)部分,分別為超前影響區(qū)域、端頭影響區(qū)域、滯后應(yīng)力影響區(qū)域以及無(wú)動(dòng)壓影響區(qū)域,四個(gè)部分區(qū)域隨工作面的開(kāi)采而不斷變化位置。根據(jù)不同的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,及時(shí)補(bǔ)打錨桿、錨索加固巷道以及充填區(qū)域頂板,支設(shè)單體支柱控制工作面動(dòng)壓影響區(qū)域等。

4.3 巷旁充填體控制對(duì)策

巷旁充填體的強(qiáng)度以及構(gòu)筑的速度是沿空留巷成功的關(guān)鍵之一。首先,充填體的構(gòu)筑速度要快,避免巷道在充填體支撐之前出現(xiàn)較大變形,影響巷道的正常使用;其次,充填體強(qiáng)度要高,可以有效支承頂板,尤其是充填體的早期強(qiáng)度要高,否則時(shí)間太長(zhǎng)有可能對(duì)巷道穩(wěn)定性造成影響。

5 留巷圍巖控制方案及效果分析

5.1 沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

1)巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)。S5-11皮順采用高預(yù)應(yīng)力錨桿+雙鋼筋托梁+金屬經(jīng)緯網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)方式,錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 400 mm,頂錨桿間排距為860 mm×1 000 mm,每排6根,靠近巷幫的2根錨桿傾斜25°安裝;幫錨桿間排距為750 mm×1 000 mm,每排5根,靠近頂?shù)装宓?根錨桿傾斜15°安裝;錨索長(zhǎng)度為8 300 mm,間排距為2 400 mm×1 000 mm,布置方式為“2-1-2-1”。錨桿采用兩支超快樹(shù)脂錨固劑,規(guī)格為MSCK2350,預(yù)緊扭矩為300 N·m。錨桿配件為三明治墊圈、讓壓管、螺母、拱型托盤,托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm托盤。錨索采用3支MSZ2350樹(shù)脂藥卷錨固;錨索托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托盤,預(yù)緊力為300 kN。

2)巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)。在構(gòu)筑充填體之前,先對(duì)充填體上方區(qū)域鋪設(shè)金屬網(wǎng),垂直頂板安裝錨桿,間排距為800 mm×600 mm。充填體寬度為1.6 m,強(qiáng)度可以達(dá)到30 MPa。

3)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)。超前區(qū)域:工作面前方40 m采用單體支柱配合鉸接頂梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),采用1梁2柱的布置方式,棚距1.0 m,柱距1.0 m。端頭區(qū)域:端頭臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)采用單體支柱配護(hù)頂Π型梁邁步抬棚支護(hù),在工作面端頭用單體支設(shè)兩排Π型梁,邁步前進(jìn),梁長(zhǎng)3 m。滯后區(qū)域:在工作面后方120 m范圍內(nèi)打設(shè)單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。留設(shè)一排單體液壓支柱,排距為1 000 mm,距實(shí)體煤幫為2.6 m。

4)采空區(qū)擋矸設(shè)計(jì)。為了降低綜采放頂煤開(kāi)采對(duì)充填體上方的頂煤完整性的影響,在工作面端頭共保留6 m寬不放頂煤,并在液壓支架后方的采空區(qū)及時(shí)打設(shè)一排密集支柱。

5.2 留巷效果

將沿空留巷圍巖控制方案在常村煤礦S5-11皮帶運(yùn)輸巷進(jìn)行應(yīng)用,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,巷道兩幫最大移近量為430 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?70 mm,充填體變形量為50 mm～70 mm,巷道斷面尺寸基本滿足生產(chǎn)要求,實(shí)現(xiàn)了沿空留巷在綜放面的成功應(yīng)用,留巷效果較好。

6 結(jié)束語(yǔ)

1)分析了綜放面沿空留巷覆巖破壞特征,得到了沿空留巷成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素。采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法模擬充填體穩(wěn)定性的影響因素,得到充填體的合理寬度與強(qiáng)度為1.6 m和30 MPa。

2)通過(guò)對(duì)沿空留巷頂板破斷特征的研究,分析了巷道圍巖控制關(guān)鍵技術(shù),給出了巷道高強(qiáng)錨桿、錨索協(xié)調(diào)支護(hù)、幫頂?shù)淄匾约跋锏乐ёo(hù)時(shí)空控制對(duì)策,并得出了充填體的施工速度與強(qiáng)度對(duì)留巷的穩(wěn)定性影響較大。

3)根據(jù)沿空留巷圍巖控制對(duì)策,對(duì)留巷圍巖控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,巷道兩幫最大移近量為430 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?70 mm,充填體變形量為50 mm～70 mm,巷道斷面尺寸基本滿足生產(chǎn)要求,留巷效果較好。