涼水井煤礦淺埋薄煤層堅(jiān)硬頂板沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)實(shí)踐*

王磊,李饒榮,種德雨,杜江,任小明

(神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719319)

發(fā)展薄煤層沿空留巷無煤柱開采技術(shù),是提高煤炭資源回收率、實(shí)現(xiàn)不同層厚煤層協(xié)調(diào)開采和可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)途徑,尤其有助于緩解高產(chǎn)高效薄煤層綜采工作面采掘接替緊張[1-5].本文以陜西匯森煤業(yè)涼水井煤礦431301薄煤層工作面(設(shè)計(jì)產(chǎn)能90萬 t/a)為研究對象,開展淺埋薄煤層堅(jiān)硬頂板沿空留巷工程實(shí)踐,研究結(jié)果為類似條件下的沿空留巷提供參考.

1 工程概況

431301工作面為4-3煤層薄煤層沿空留巷試驗(yàn)和首采工作面,其傾斜長180 m左右,走向長度1 900 m.試驗(yàn)煤層為4-3煤層,煤層厚度0.50～1.36 m,平均1.02 m;煤層埋深80～175 m,平均130 m,西北部較深,東南較淺,屬于單斜構(gòu)造,傾角小于2°,為近水平煤層.4-3煤層較堅(jiān)硬,普氏硬度系數(shù)達(dá)到2.9,煤層頂板巖性以細(xì)粒砂巖為主,局部為中粒砂巖和粉砂巖,厚度0.60～20.11 m.煤層底板巖性以粉砂巖為主,局部為細(xì)粒砂巖或泥巖,厚度0.66～14.25 m,東部偶見泥巖底板.431301工作面范圍內(nèi)布置有L8鉆孔柱狀信息,見表1所示.

表1 L8鉆孔柱狀信息

431301膠運(yùn)巷沿空留巷作為431302工作面回風(fēng)巷.431301膠運(yùn)巷為矩形斷面,巷道凈寬5.7 m,凈高2.8 m,沿4-3煤層頂板破底掘進(jìn).431301工作面膠運(yùn)巷斷面形狀為矩形,掘進(jìn)斷面高度為3.0 m,底板鋪設(shè)200 mm厚、標(biāo)號為C30的混凝土.

2 涼水井煤礦淺埋薄煤層沿空留巷可行性分析

1)淺埋薄煤層開采為沿空留巷提供了有利的應(yīng)力環(huán)境.4-3煤層埋深較淺,平均約為130 m,鉛垂應(yīng)力約為3.25 MPa,為沿空留巷提供了較小的原巖應(yīng)力環(huán)境.薄煤層開采后的采空區(qū)高度較小,采空區(qū)上方頂板冒落后容易充滿采空區(qū),有效支撐上部頂板,采空區(qū)側(cè)向端部堅(jiān)硬頂板承載結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)下沉量顯著小于同類條件下厚煤層開采時(shí)的旋轉(zhuǎn)下沉量,沿空留巷位于采空區(qū)側(cè)向端部堅(jiān)硬頂板承載結(jié)構(gòu)的下方,處于應(yīng)力降低區(qū),支承應(yīng)力向深部煤巖體轉(zhuǎn)移[6-8].因此,涼水井煤礦淺埋薄煤層開采地質(zhì)條件為沿空留巷提供了有利的應(yīng)力環(huán)境.

2)“硬煤硬底”為沿空留巷提供了有利的圍巖條件.涼水井煤礦4-3煤層普氏硬度系數(shù)達(dá)到2.9,較為堅(jiān)硬,賦存較穩(wěn)定.直接頂板賦存超過10 m厚的細(xì)砂巖,屬于堅(jiān)硬巖層;距離4-3煤層上方25 m左右賦存約34.6 m厚的砂巖組,亦屬于堅(jiān)硬巖層;直接底為9.4 m厚的粉砂巖,較為堅(jiān)硬;距煤層底板約19.9 m處存在一層約11.9 m厚的中砂巖,屬于堅(jiān)硬巖層.整體上呈現(xiàn)“三硬巖層”條件,即頂板堅(jiān)硬、煤層堅(jiān)硬、底板堅(jiān)硬.同類條件下,堅(jiān)硬巖層的承載能力和抗變形能力顯著高于軟弱巖層的承載能力和抗變形能力.如果砂巖頂板不能及時(shí)垮落,采用強(qiáng)制放頂后,沿空留巷維護(hù)條件較好,因此涼水井煤礦淺埋薄煤層的“三硬巖層”條件為沿空留巷提供了有利的圍巖條件[8].

3)高水材料為快速構(gòu)筑沿空留巷巷旁充填墻體提供了技術(shù)保障.國內(nèi)外對巷旁支護(hù)機(jī)理及方法進(jìn)行了較多的研究和實(shí)踐.20世紀(jì)50年代以來巷旁支護(hù)長期采用矸石帶、木垛、密集支柱和混凝土砌塊,上述巷旁支護(hù)普遍存在增阻速度慢、支承能力小、壓縮變形量大、密閉性能差、機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及力學(xué)性能與沿空留巷圍巖變形不相適應(yīng)等缺點(diǎn),不利于沿空留巷維護(hù)和防止采空區(qū)漏風(fēng)、煤層自燃.高水充填材料因具有增阻速度快、支護(hù)阻力大、適量可縮,可機(jī)械化整體構(gòu)筑巷旁充填體、密閉采空區(qū)效果好、勞動(dòng)強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)[1,3,5,7],為涼水井煤礦淺埋薄煤層沿空留巷巷旁支護(hù)提供了可靠的材料支撐.

4)巷內(nèi)支護(hù)為強(qiáng)化沿空留巷圍巖強(qiáng)度和剛度提供了技術(shù)保障.沿空留巷在服務(wù)周期內(nèi)將經(jīng)歷實(shí)體煤掘巷階段、工作面采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)階段、工作面后方應(yīng)力穩(wěn)定階段、相鄰下區(qū)段工作面采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)階段,工程上將經(jīng)歷相鄰2個(gè)工作面的采動(dòng)影響,巷內(nèi)支護(hù)的強(qiáng)度、剛度影響支承應(yīng)力演化過程中圍巖抵抗變形的能力,因此合理的巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)和參數(shù)為沿空留巷穩(wěn)定性提供了技術(shù)保障.

5)沿空留巷輔助切頂卸壓技術(shù)為及時(shí)破斷堅(jiān)硬頂板提供了技術(shù)保障.當(dāng)煤層頂板為堅(jiān)硬穩(wěn)定頂板,工作面回采后頂板不易垮落甚至大面積懸頂,會造成巷旁充填體、巷道圍巖的變形破壞.因此在巷旁充填體構(gòu)筑起來之前必須采取有效的采空區(qū)頂板輔助切頂措施,確保充填體能夠及時(shí)切落采空區(qū)側(cè)足夠高的頂板巖層,避免頂板堅(jiān)硬巖層久而不落,充填體及巷道圍巖受頂板來壓影響而造成破壞[6,7].

基于以上分析,淺埋薄煤層開采條件、三硬巖層圍巖條件、高水材料充填墻體、巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)、沿空留巷輔助切頂卸壓技術(shù)為涼水井煤礦淺埋薄煤層工作面沿空留巷提供了有利的應(yīng)力環(huán)境、圍巖條件和支護(hù)技術(shù),此類條件下的沿空留巷具有較強(qiáng)的可行性.

3 涼水井煤礦淺埋薄煤層沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)及參數(shù)

3.1 涼水井煤礦淺埋薄煤層沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 采空區(qū)側(cè)向端部堅(jiān)硬頂板結(jié)構(gòu)承載技術(shù)

涼水井煤礦4-3煤層直接頂板為厚層砂巖頂板,破斷后在采空區(qū)端部能形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)一側(cè)由巷旁支護(hù)體和采空區(qū)冒落矸石支撐,另一側(cè)由煤體支撐,處于平衡狀態(tài),沿空留巷位于該承載結(jié)構(gòu)的下方,處于應(yīng)力降低區(qū),有利于沿空留巷的穩(wěn)定.

3.1.2 高水材料快速構(gòu)筑沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)

高水充填材料具有增阻速度快、支護(hù)阻力大、適量可縮,可機(jī)械化整體構(gòu)筑巷旁充填體、密閉采空區(qū)效果好、勞動(dòng)強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn).高水材料配比和充填體寬度決定了沿空留巷巷旁充填體的承載特性和穩(wěn)定性,針對涼水井煤礦淺埋薄煤層沿空留巷的工程地質(zhì)條件,需要確定經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益顯著的高水材料配比和充填體寬度,以支撐沿空留巷頂板,維護(hù)沿空留巷整體的穩(wěn)定性.高水材料巷旁充填系統(tǒng)分為充填泵站、輸送管路、充填點(diǎn)3個(gè)環(huán)節(jié),可實(shí)現(xiàn)超3 000 m長距離的泵送管路運(yùn)輸,快速構(gòu)筑充填墻體.

3.1.3 錨網(wǎng)索聯(lián)合單體液壓支柱或門式支架形成沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)

錨桿支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù),具有強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度的能力,合理的巷內(nèi)錨桿支護(hù)參數(shù)可使淺部圍巖形成整體承載的錨固體,顯著提高沿空留巷圍巖的承載能力和抗變形能力.相較于錨桿支護(hù),錨索支護(hù)屬于高強(qiáng)支護(hù)技術(shù),可將淺部圍巖與錨桿形成的錨固體固結(jié)在較深部穩(wěn)定的巖層當(dāng)中,提高淺部錨固體的承載和抗變形能力.留巷段單體液壓支柱或門式支架可提高所留巷的支護(hù)強(qiáng)度,提高整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的可靠性,減少采動(dòng)對留巷頂板結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響.

3.2 涼水井煤礦淺埋薄煤層沿空留巷巷旁充填體關(guān)鍵參數(shù)確定

圖1 沿空留巷力學(xué)模型

根據(jù)沿空留巷頂板與巷旁充填體相互作用關(guān)系,建立圖1所示的巷旁充填體與頂板相互作用的力學(xué)模型.對該模型作簡化:(1)在巷旁充填體切斷頂板巖層前,矸石對塊體AC的支撐力為0;(2)基本頂之上軟弱巖層與更上位巖層之間的剪力為0;(3)基本頂之上的軟弱巖層,均勻地加到基本頂上;(4)基本頂以煤體彈塑性交界處為旋轉(zhuǎn)軸向采空區(qū)側(cè)旋轉(zhuǎn)傾斜;(5)沿空留巷下側(cè)煤體支承壓力σy和應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x0根據(jù)極限平衡理論計(jì)算.

求解得巷旁充填體支護(hù)阻力為

(1)

式中:Mmax為基本頂巖層的極限彎矩;NC為采空區(qū)側(cè)受到的剪力;e為BC巖塊的長度;q為基本頂及其上部軟弱巖層單位長度的自重;α為煤層傾角;c為巷道寬度;d為巷旁充填體寬度;q0為直接頂單位長度自重;TC為沿巖層方向的推力;h為基本頂巖層厚度;M0為A端基本頂?shù)臍堄鄰澗?ΔSB為基本頂垮落前B端的下沉量.且

(2)

式中:b為基本頂來壓步距;Lm為工作面長度.

基本頂垮落前C端的下沉量為

(3)

沿巖層方向的推力TC為

(4)

根據(jù)涼水井煤礦431301工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件、巖性和以往的巖層力學(xué)參數(shù)考慮,具體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)初步取值如下:工作面回采厚度為1.07 m,工作面長度180 m,周期來壓步距15 m,巷道最大埋深175 m,基本頂分層厚度按6.0 m考慮,留巷后巷道寬度4.9 m,充填體寬度1.6 m,上覆巖層容重為25 kN/m3,應(yīng)力集中系數(shù)為2.0,基本頂巖層抗拉強(qiáng)度6.0 MPa,側(cè)壓系數(shù)為0.4,煤層粘聚力為3 MPa,內(nèi)摩擦角30°,煤幫采用錨桿支護(hù),其支護(hù)阻力為0.1 MPa,煤層傾角1°,將上述參數(shù)代入式(1),得到431301膠運(yùn)巷充填體的切頂阻力為12.2 MN/m.

431301工作面為4-3煤層沿空留巷試驗(yàn)工作面,高水材料沿空留巷工藝為首次使用,為保證充填體的切頂效果,提高其整體穩(wěn)定性并保證采空區(qū)隔離效果,確保沿空留巷的成功,根據(jù)431301膠運(yùn)巷頂板巖層情況、公式計(jì)算和以往的工程實(shí)踐,考慮安全系數(shù)1.3,當(dāng)高水材料水灰比為1.5∶1時(shí)(巷旁充填體強(qiáng)度10 MPa),則所需的充填體寬度理論計(jì)算值為1.59 m,實(shí)際取1.6 m.

4 工程實(shí)踐

4.1 巷內(nèi)支護(hù)

基于以上研究,確定431301膠運(yùn)巷沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)為掘巷時(shí)期的錨桿支護(hù)技術(shù)、錨索加固技術(shù)以及留巷時(shí)期的支架護(hù)頂技術(shù).其中錨桿支護(hù)和錨索加固技術(shù)見圖2所示.

4.1.1 錨桿支護(hù)技術(shù)

頂板錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm的BHRB335螺紋鋼錨桿,間排距900 mm×1 000 mm,每排布置7根錨桿,每根錨桿使用1支MSCK2335型、1支Z2360型樹脂藥卷,尾部配套承載鋼墊圈、減摩墊圈、調(diào)心墊圈,規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm的碟形鋼托盤.鋼筋網(wǎng)采用Φ6 mm的Q235鋼筋,尺寸為5 700 mm×1 100 mm,網(wǎng)格為100 mm×100 mm,搭接長度100 mm,采用14#鐵絲連接.托梁長度為5 600 mm,寬度為60 mm,托梁上單個(gè)長方孔的尺寸為50 mm×60 mm,采用Φ14 mm圓鋼加工.

幫部錨桿采用Φ18 mm×2 000 mm的BHRB335螺紋鋼錨桿對稱布置在兩幫,間排距1 000 mm×1 000 mm,每排布置3根錨桿,每根錨桿使用1支MSCK2335型、1支Z2360型樹脂藥卷,尾部配套承載鋼墊圈、減摩墊圈、調(diào)心墊圈,規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm的碟形鋼托盤.鋪設(shè)8#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng),尺寸為2 500 mm×1 100 mm,網(wǎng)格為50 mm×50 mm,搭接長度100 mm,采用14#鐵絲每2孔連接一道,托梁長度為2 200 mm,寬度為60 mm,托梁上單個(gè)長方孔的尺寸為50 mm×60 mm,采用Φ14 mm圓鋼加工.

4.1.2 錨索加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

頂錨索采用Φ18.9 mm×6 300 mm的鋼絞線錨索加強(qiáng)支護(hù),間排距為2 000 mm×2 000 mm,每排鉛垂向上布置2根錨索,錨索與錨桿布置在同一排.每根錨索使用1支MSCK2335型、2支Z2360型樹脂藥卷,尾部配套鎖具、調(diào)心墊圈、規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的碟形鋼托盤.

圖2 431301膠運(yùn)巷初始支護(hù)(單位:mm)

結(jié)合已有的沿空留巷工程試驗(yàn),考慮留巷期間采動(dòng)頂板活動(dòng)對留巷空間的擾動(dòng)作用,應(yīng)在工作面后方頂板破斷期間及劇烈變形段內(nèi)布置單體液壓支柱加強(qiáng)頂板支護(hù),滯后加強(qiáng)支護(hù)距離一般為100 m.

4.2 巷旁支護(hù)

充填體采用水灰比1.5∶1的高水充填構(gòu)筑而成,一天充填2次,每次充填長度6 m.充填體分上下兩部分充填、一次吊掛充填袋.先充填下部,其長×寬×高為6.0 m×0.8 m×1.2 m,后充填上部,其長×寬×高為6.0 m×1.6 m×1.6 m;加強(qiáng)支護(hù)上部充填體,在充填體內(nèi)布置對拉錨桿加固充填體,對拉錨桿兩排,間排距900 mm×800 mm,對拉錨桿采用Φ22 mm×1 800 mm的螺紋鋼材料制作,采用Φ14 mm圓鋼焊制規(guī)格為2 300 mm×60 mm,1 000 mm×60 mm鋼筋梯子梁相連,碟形托盤規(guī)格為 120 mm×120 mm×10 mm.鋼筋網(wǎng)要求使用Φ4 mm的鋼筋加工,下部充填體凝固后進(jìn)行錨梁網(wǎng)支護(hù),錨桿間排距900 mm×800 mm,充填完成24 h后打錨桿.使用14#鐵絲雙股聯(lián)網(wǎng),鋼筋網(wǎng)搭接部分不小于100 mm.充填體加強(qiáng)支護(hù)見圖3所示.

4.3 431301膠運(yùn)巷沿空留巷輔助切頂卸壓技術(shù)

在431301膠運(yùn)巷采煤幫側(cè)向頂板內(nèi)進(jìn)行聚能爆破,優(yōu)化裂隙發(fā)育情況,弱化頂板強(qiáng)度和完整度,提高頂板冒落效果,從而實(shí)現(xiàn)煤礦的安全高產(chǎn)高效開采.為確保切頂高度范圍內(nèi)頂板巖層順利垮落,通常將切頂高度選擇在計(jì)算高度附近巖層分界面,對比431301工作面鉆孔柱狀圖,煤層上方7.05和3.68 m為兩層細(xì)砂巖,故增加切頂高度至10.73 m.頂板鉆孔仰角為70°,鉆孔長度為11.5 m,炮孔直徑取38 mm,炮孔間距取600 mm,封孔長度為4 m,裝藥長度為7.5 m;采用煤礦許用乳化炸藥進(jìn)行頂板預(yù)爆破處理,炸藥參數(shù)為直徑35 mm,長度200 mm,每卷重量200 g,單孔裝藥量3.0 kg.炮孔布置如圖4所示.

圖3 充填體加強(qiáng)支護(hù)(單位:mm)

圖4 炮孔布置(單位:m)

4.4 實(shí)施效果

沿空留巷頂板深部位移監(jiān)測結(jié)果見圖5.沿空留巷現(xiàn)場實(shí)施效果見圖6.

圖5 沿空留巷頂板深部位移監(jiān)測結(jié)果

圖6 沿空留巷整體效果

截至2020年4月,431301工作面沿空留巷長度已經(jīng)超過750 m.現(xiàn)階段沿空留巷前寬度4.9 m,巷道凈高2.8 m.在工作面后方留巷巷道寬度仍超過4.85 m,高度超過2.75 m,留巷巷道圍巖穩(wěn)定.圖5表明頂板最大離層量均未超過錨索最大延伸量,頂板處于穩(wěn)定狀態(tài).沿空留巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平烤∮?0 mm(圖6a所示),達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)(頂?shù)装逡平坎怀^200 mm,兩幫移近量不超過250 mm),支架后方頂板及時(shí)垮落(圖6b所示),沿空留巷圍巖控制效果較好(圖6c所示).

5 結(jié)論

1)合理的巷內(nèi)支護(hù)技術(shù),巷旁充填體構(gòu)筑技術(shù)和堅(jiān)硬頂板輔助卸壓技術(shù)是淺埋薄煤層堅(jiān)硬頂板沿空留巷圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵.

2)高水材料快速構(gòu)筑沿空留巷巷旁充填體,錨網(wǎng)索聯(lián)合單體液壓支柱形成沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)技術(shù),聚能爆破超前預(yù)裂堅(jiān)硬頂板的輔助卸壓技術(shù)能夠有效控制淺埋薄煤層堅(jiān)硬頂板沿空留巷圍巖變形.