張士鈺

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030206)

1 概 況

屯蘭礦是山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司所屬的一座特大型國(guó)有重點(diǎn)煤礦，屬高瓦斯礦井。2009年，瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果：礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為196.4m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為23.1m3/t。煤塵具有爆炸性，屬于自燃煤層，自然發(fā)火類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)。

屯蘭礦綜采工作面布置為傳統(tǒng)的“一面三巷” 方式(皮帶順槽、軌道順槽、回風(fēng)順槽)，工作面采用“U+L”通風(fēng)系統(tǒng)。工作面巷道布置方式及通風(fēng)系統(tǒng)，存在噸煤掘進(jìn)率較高、上隅角至排瓦斯橫貫段瓦斯?jié)舛入y以控制及獨(dú)頭尾巷的問(wèn)題；而且回風(fēng)順槽與皮帶(軌道)順槽之間的護(hù)巷煤柱，導(dǎo)致礦井煤炭資源回收率低、容易自然發(fā)火等缺點(diǎn)。借鑒淮南礦業(yè)集團(tuán)公司的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合屯蘭礦地質(zhì)開(kāi)采條件，研究應(yīng)用沿空留巷“Y”型通風(fēng)技術(shù)，對(duì)于消除上隅角至排瓦斯橫貫區(qū)域及尾巷瓦斯超限隱患、緩解礦井采掘銜接緊張局面、有效提高煤炭資源回收率、降低掘巷成本和實(shí)現(xiàn)礦井安全高效可持續(xù)發(fā)展有很重要意義。

2 沿空留巷、Y型通風(fēng)工作面設(shè)計(jì)

沿空留巷工作面試驗(yàn)工作面，確定為南二盤(pán)區(qū)下組8#煤18205工作面。工作面布置為兩巷加一借用巷道布置方式，巷道分別為18205皮帶順槽(復(fù)用18203回風(fēng)順槽)、軌道順槽和借用18207軌道順槽(工作面回采時(shí)，18207軌道順槽、切眼作為18205工作面回風(fēng)巷)，三巷平行布置，其中皮帶順槽為機(jī)軌合一巷道。

工作面兩順槽均為矩形斷面，均采用全錨支護(hù)方式支護(hù)頂板。皮帶順槽凈高3.5m，凈寬5m，用于進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤及存放設(shè)備列車(chē)；軌道順槽為沿空留巷巷道，凈高3.5m，凈寬5.5m，軌道順槽用于進(jìn)風(fēng)及輔助運(yùn)輸。

3 充填體受力分析

3.1 初次采動(dòng)受力分析

初次來(lái)壓前，由于上覆巖層結(jié)構(gòu)中有“梁”或“拱”式結(jié)構(gòu)存在，因此整個(gè)采空區(qū)周?chē)膸r體可以視為一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1]。這個(gè)系統(tǒng)的頂部是老頂巖層，周?chē)鷦t是直接頂和煤柱?；夭晒ぷ髅婢吞幱谠谶@樣的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)保護(hù)之下。其周?chē)膽?yīng)力分布，沿走向及傾斜方向分別如圖1所示。回采工作面煤壁上所承受的支承壓力，將隨著老頂跨度的加大而增加。當(dāng)老頂達(dá)到極限跨距時(shí)，斷裂失穩(wěn)，引起工作面頂板巖層來(lái)壓。

圖1 初次來(lái)壓前四周?chē)鷰r的支承壓力分布狀態(tài)

屯蘭礦老頂初次來(lái)壓時(shí)，在工作面后方沿傾斜方向的頂板壓力，分別被采空區(qū)處垮落矸石、充填體、單體液壓支柱和煤壁支撐。由此，我們可以由圖2所示的力學(xué)模型，表示老頂初次來(lái)壓時(shí)對(duì)工作面后方傾斜方向的影響。

圖2 老頂初次來(lái)壓力學(xué)模型

圖2中，h1為老頂厚度；h2為直接頂厚度；L1為抬棚支護(hù)的寬度；L2為充填體寬度；L3為老頂初次來(lái)壓時(shí)斷裂長(zhǎng)度；Q1為直接頂巖層自重；Q2為老頂自重及上覆巖層對(duì)老頂?shù)妮d荷；q1為抬棚支護(hù)對(duì)直接頂板的均布載荷；qx為充填體對(duì)直接頂板的均布載荷；q2為上覆巖層對(duì)老頂?shù)木驾d荷。

上述模型中：

(1)

(2)

根據(jù)屯蘭礦現(xiàn)有資料可得知：γ1=22 kN/m3；∑h2=5.78m；λ=3；γ2=25 kN/m3；∑h1=8.06m；L1=4.6m；L2=2.5m；L3=15m；q1=67.5 kN/m2；

所以，Q1=826.54 kN；Q2=9067.5 kN

根據(jù)老頂初次來(lái)壓時(shí)的力學(xué)模型，分別對(duì)老頂和直接頂進(jìn)行受力分析。

首先，對(duì)老頂?shù)牧W(xué)分析，如圖3所示。

圖3 老頂受力分析圖

由圖3 Y方向力的平衡可知：

(3)

由O點(diǎn)的力矩平衡可得：

(4)

由式(3)、式(4)聯(lián)立可得：

F矸= 3279.7kN，q3= 890.43kN/m2

同理，對(duì)直接頂進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖4 直接頂受力分析圖

由Y方向的受力平衡可得：

(5)

由此可得qx= 2537kN/m2。

則可以得出滿(mǎn)足充填要求的充填體的最低強(qiáng)度為2.537 MPa。

3.2 二次采動(dòng)影響分析

當(dāng)開(kāi)采下一個(gè)工作面時(shí)，充填體還受到超前支承壓力的影響。超前支承壓力的影響范圍，主要考慮工作面前方30m范圍內(nèi)的充填體，如圖5所示。在此范圍內(nèi)的充填體處于煤壁前方，頂板并沒(méi)有斷裂，故充填體要支撐整個(gè)上覆巖層。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，充填體受到頂板的壓力按原巖應(yīng)力的2倍計(jì)算[2]。

圖5 二次采動(dòng)影響區(qū)

故充填體需要的強(qiáng)度的下限為

(6)

此處λ取2，∑h=410m，γ=22kN/m3代入式(6)得，q=18.04MPa。

3.3 充填墻體及充填料的技術(shù)要求

(1)根據(jù)工作面具體條件，在采場(chǎng)頂板活動(dòng)與礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，分析了沿空留巷充填體在首次采動(dòng)和二次采動(dòng)影響下的受力狀態(tài)，得出了沿空留巷充填體的合理參數(shù)：長(zhǎng)×寬×高=2.4m×2.5m×3.5m=21m3。首次采動(dòng)時(shí)，充填體的最低強(qiáng)度為2.54MPa；二次采動(dòng)時(shí)，充填體的強(qiáng)度不低于18.04MPa。

(2)根據(jù)8#煤礦壓顯現(xiàn)規(guī)律得出充填體強(qiáng)度要求：4h的充填強(qiáng)度大于2MPa，1d的強(qiáng)度為7.3MPa，3d的強(qiáng)度為18.1MPa，7d的強(qiáng)度為21.6MPa，28d的強(qiáng)度為31.6MPa。

(3)下一工作面開(kāi)采時(shí)，上一工作面采空區(qū)充填體的強(qiáng)度不應(yīng)低于18.04MPa。

(4)沿空留巷充填材料選用膏體混凝土，其主要成份是：硅酸鹽水泥、碎石、砂子、粉煤灰、添加劑及水拌和的膏體混凝土,充填齡期指標(biāo)要求(見(jiàn)表1)

(5)為使沿空留巷充填墻體能夠達(dá)到質(zhì)量要求，確保每個(gè)充填墻體與頂?shù)装宄浞纸佑|，充填支架及模板要保持靜止不動(dòng)。另外，由于充填材料的凝固需要4h的時(shí)間，所以要保證不少于4h的凝固時(shí)間，確保承壓能力達(dá)到2MPa以上，再移動(dòng)、調(diào)整充填支架及模板[3]。

表1 留巷巷旁充填齡期指標(biāo)

4 礦壓觀測(cè)方案[4，5]

(1)工作面

根據(jù)礦壓觀測(cè)技術(shù)要求，在工作面安裝了KJ-345型支架自動(dòng)在線監(jiān)控系統(tǒng)。工作面布置三條觀測(cè)線：一條布置在工作面中部，其余兩條分別布置在離兩條順槽20m處。每條觀測(cè)線由三個(gè)相鄰的液壓支架上的尤洛卡支架工作阻力自動(dòng)檢測(cè)儀表組成。

(2)沿空留巷充填體

沿空留巷充填體自開(kāi)切眼10m開(kāi)始布置，間隔為10m的觀測(cè)點(diǎn)5個(gè)，隨后布置間隔為50m的觀測(cè)點(diǎn)5個(gè)，累積總觀測(cè)距離為300m。在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處充填體內(nèi)布置2個(gè)液壓枕，布置高度為1.75m，兩液壓枕距充填體兩邊緣為1m。

(3)煤體

CY-150型鉆孔應(yīng)力計(jì)、MC-300型錨桿(索)測(cè)力計(jì)，在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處的煤體內(nèi)布置4個(gè)液壓枕，布置高度1.75m，間距為4m，累計(jì)需要液壓枕60個(gè)。

(4)沿空留巷效果觀測(cè)

為觀測(cè)工作面開(kāi)采過(guò)程中，初次來(lái)壓及周期來(lái)壓對(duì)巷道變形及巷道頂板離層的影響，沿空留巷頂板內(nèi)安設(shè)了KZL-300頂板離層自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。沿空留巷效果觀測(cè)，包括巷道變形觀測(cè)和巷道頂板離層觀測(cè)。

巷道變形觀測(cè)。采用十字觀測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)，自開(kāi)切眼12m開(kāi)始每隔10m布置一個(gè)巷道變形觀測(cè)點(diǎn)，布置5個(gè)間距為10m的觀測(cè)點(diǎn)；隨后，每隔50m布置一個(gè)，布置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，累計(jì)布置10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，總觀測(cè)距離為302m。

巷道頂板離層觀測(cè)。安裝KZL-300頂板離層自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和錨桿測(cè)力計(jì)兩種儀器。頂板離層儀安裝于頂板中央，測(cè)點(diǎn)自開(kāi)切眼10m開(kāi)始，其余布置與巷道變形觀測(cè)相同。離層儀安設(shè)長(zhǎng)度350m，前5個(gè)間距20m，后5個(gè)間距50m，共計(jì)10個(gè)，進(jìn)行24h監(jiān)測(cè)；錨桿測(cè)力計(jì)安設(shè)300m，前5個(gè)間距10m，后5個(gè)間距50m，共計(jì)10個(gè)。

5 觀測(cè)結(jié)果分析

工作面開(kāi)始回采累計(jì)觀測(cè)了127m，工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓已經(jīng)顯現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果：8#煤直接頂初次跨落步距為10～12 m、老頂垮落步距為34 m，其特點(diǎn)是先從工作面中間開(kāi)始垮落，然后向兩邊擴(kuò)散；工作面壓力分布出現(xiàn)在工作面中間和兩端頭；兩順槽超前壓力分布在距煤壁往外20 m范圍內(nèi)。

通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以得出充填體鉆孔應(yīng)力計(jì)(ZK)、錨桿測(cè)力計(jì)(MG)受力變化曲線圖和煤幫受力變化曲線圖(圖6～9)。由圖6可知，充填體受力一般在2～4MPa之間，這與充填體受力分析的結(jié)果較為吻合，在首次采動(dòng)的作用下充填受力較小。由圖7可知，充填體中測(cè)力錨桿的受力一般在20～40MPa之間，這與一般巷道煤體錨桿的作用力相當(dāng)，表明在首次采動(dòng)的作用下，沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)比較平穩(wěn)。由圖8可知，沿空留巷煤幫(左幫)受力一般在3～4.5MPa之間，這與充填體的受力基本一致，表明在首次采動(dòng)的作用下，沿空留巷的煤幫受力同樣較小。由圖9可得出留巷變形觀測(cè)結(jié)論：由留巷頂板離層觀測(cè)歷史曲線可見(jiàn)，沿空留巷的頂板離層通常為27mm左右，最大值為41mm。表明在首次采動(dòng)的作用下沿空留巷的巷道頂板較為穩(wěn)定，礦壓顯現(xiàn)比較平穩(wěn)。

圖6 充填體鉆孔受力變化曲線

圖7 充填體錨桿受力變化曲線

圖8 煤幫受力變化曲線

圖9 沿空留巷頂?shù)装逦灰谱兓?/p>

6 結(jié) 論

沿空留巷快速充填技術(shù)已經(jīng)在屯蘭18205工作面成功實(shí)施，目前工作面已推進(jìn)350m，基本達(dá)到了預(yù)期效果：瓦斯控制在規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)，沿空留巷墻體能有效地控制頂板，平均日產(chǎn)量達(dá)到了400t，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,為高瓦斯礦井瓦斯治理開(kāi)辟了新的思路。

[1] 何滿(mǎn)潮. 中國(guó)煤礦軟巖巷道支護(hù)理論與實(shí)踐[M]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 1996.

[2] Bauer E.R., Pappas, D.M, Dolinar D.R etc., Skin Failure of the Roof and Rib in Underground Coal Mines [C]. In: Peng S. S. and Mark C., eds. Proceedings of the 18th International Conference on Ground Control in Mining. Morgantown, WV, West Virginia University, 1999, 108-115.

[3] 劉沐宇,徐長(zhǎng)佑. 硬石膏的流變特性及其長(zhǎng)期強(qiáng)度的確定[J]. 中國(guó)礦業(yè),2000,9(2):53-55.

[4] 謝廣祥,楊 科,常聚才. 綜放回采巷道圍巖力學(xué)特征實(shí)測(cè)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,35(1):94-98.

[5] 張東升,馬立強(qiáng). 綜放沿空留巷圍巖變形影響因素的分析[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,35(1):1-6.