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        復(fù)合頂板條件下沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

        2019-09-07 10:55:06白志強(qiáng)
        山東煤炭科技 2019年8期
        關(guān)鍵詞:空留巷錨索寬度

        白志強(qiáng)

        (山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司,山西 蒲縣 041200)

        1 工程概況

        潞安黑龍煤業(yè)1103 工作面所屬的2#煤層位于山西組中下部,平均埋深210m,下距9#煤層間距為72.45~106.45m,平均86.45m。2#煤層厚0.9~1.45m,平均1.35m,不含夾矸,屬薄~中厚煤層,煤層傾角0~20°,煤層結(jié)構(gòu)簡單,層位穩(wěn)定,煤層頂板局部有一層偽頂約300~500mm,強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差。1103 工作面緊鄰1101 工作面,沿煤層傾向布置,運(yùn)輸順槽開口于2#煤層運(yùn)輸大巷,設(shè)計(jì)長度為531.4m;回風(fēng)順槽開口于2 號煤層運(yùn)輸大巷,設(shè)計(jì)長度為537.3m;切眼連接運(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽,設(shè)計(jì)長度為150m。

        設(shè)計(jì)將1103 運(yùn)輸順槽沿空留巷后作為1105 工作面回風(fēng)順槽使用,為保證留巷穩(wěn)定,在1105 工作面切眼后方多留20m 巷道,即設(shè)計(jì)1103 運(yùn)輸順槽留巷長度為325m。留巷區(qū)域見圖1。沿空留巷可以最大限度回收資源,避免煤體損失,提高煤炭采出率,但由于該礦沒有可供參考的留巷經(jīng)驗(yàn)和參考實(shí)例,需要對沿空留巷的具體參數(shù)進(jìn)行相關(guān)研究,在保證生產(chǎn)安全的前提下取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

        圖1 沿空留巷區(qū)域示意圖

        2 高水材料巷旁充填沿空留巷技術(shù)

        2.1 充填材料

        中國礦業(yè)大學(xué)侯朝炯[1-2]等人基于對沿空留巷圍巖受力分析,并結(jié)合傳統(tǒng)巷旁支護(hù)的特點(diǎn),研發(fā)了一種新的充填材料,即高水速凝材料。該材料通常由兩種漿料組成,單獨(dú)的漿液不會固化,在需要充填的位置進(jìn)行混合、快速凝固。高水速凝材料具有便于運(yùn)輸、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn),并且能承受較大的載荷。當(dāng)載荷超出其承載的極限時(shí),也不會立即失效,仍然擁有相當(dāng)一部分殘余強(qiáng)度和緩沖的能力,相對于巖石、混凝土等材料具有更長的使用期限,諸多特點(diǎn)使其相比于其他材料更適合用于采空區(qū)下巷道的沿空留巷。因此選擇高水速凝材料作為黑龍煤業(yè)1103 工作面運(yùn)輸順槽沿空留巷支護(hù)的巷旁充填體,綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、安全生產(chǎn)等多方面的因素,將巷旁充填體的水灰比定為1.8:1。

        2.2 巷旁充填體寬度設(shè)計(jì)

        巷旁充填體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性除了與充填體的材料有關(guān),另一個非常重要的因素就是巷旁充填體的充填寬度。在確定充填體寬度時(shí),要考慮充填體能夠支撐巷道頂板圍巖最小的寬度,即以頂板巖層達(dá)到危險(xiǎn)狀況的斷面為截面,得到彈性基礎(chǔ)梁模型[3]。巷旁支護(hù)體與頂板相互作用的力學(xué)模型如圖2 所示。

        圖2 沿空留巷力學(xué)模型

        巷道頂板的力學(xué)模型,用極限平衡法分別建立巖塊AB、BC 的力學(xué)方程。BC 巖塊,垂直于傾角α方向受力平衡,得:

        平行于α方向受力平衡,得:

        以B點(diǎn)扭矩為0,得:

        AB 巖塊以A 點(diǎn)為支點(diǎn),扭矩為0 可得:

        式中:

        α-煤層傾角;

        c-留巷寬度;

        d-充填體寬度;

        h-煤層基本頂厚度;

        Pq-巷旁支護(hù)體的切頂阻力;

        ML-頂板巖層極限彎矩;

        M0-A 點(diǎn)巖層殘余彎矩;

        q-頂板巖層的平均容重;

        q0-直接頂自重;

        △SC-基本頂垮落前B 端的下沉量,其計(jì)算式為:

        其中:

        e-BC 巖塊的長度,其計(jì)算式為:

        其中:

        b-基本頂來壓步距;

        Lm-工作面長度。

        根據(jù)黑龍煤業(yè)1103 工作面運(yùn)輸順槽地質(zhì)條件、鄰近工作面開采情況,詳細(xì)參數(shù)取值如下:煤層厚度為1.35m,工作面傾斜長度150m,周期來壓步距18.0m,工作面平均埋深210m,基本頂厚度為3.41m,直接頂厚度1.09m,巷道寬度4.0m,上覆巖層容重為27kN/m3,基本頂巖層抗拉強(qiáng)度1.7MPa,煤體粘聚力為3MPa,內(nèi)摩擦角30o,煤層傾角10°,將上述參數(shù)代入式(6),得到1103 工作面運(yùn)輸順槽充填體的切頂阻力為8.15MN/m。

        黑龍煤業(yè)1103 運(yùn)輸順槽為首次進(jìn)行高水材料沿空留巷,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,取安全系數(shù)1.2,當(dāng)高水材料水灰比為1.8:1 時(shí),則所需的充填體寬度理論計(jì)算值為1.135m。故確定1103 運(yùn)輸順槽高水充填材料沿空留巷頂板條件較好時(shí)巷旁充填體寬度為1.2m,充填墻體置于工作面后方采空區(qū)煤層底板臺階上,內(nèi)錯煤層底板臺階邊緣0.4m??紤]到工作面煤層頂板局部有一層300~500mm 偽頂,當(dāng)頂板遇偽頂或頂板條件不好時(shí),根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)節(jié)充填體高度,高度增高,因此沿空留巷巷旁充填體寬度確定為1.4m。

        3 1103運(yùn)輸順槽支護(hù)方案

        (1)補(bǔ)強(qiáng)加固

        1103 工作面運(yùn)輸順槽掘巷時(shí)未考慮后期留巷,支護(hù)強(qiáng)度偏低,預(yù)計(jì)達(dá)不到留巷的需求,需對其留巷段巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)應(yīng)超前工作面60m 左右,具體措施如下:從留巷開始到留巷結(jié)束,在原兩排頂板錨桿中間未打錨索位置補(bǔ)打一排2 根錨索,錨索型號Φ17.8×6300mm,靠采煤幫錨索距其300mm,然后間距900mm、1600mm 依次各打一根錨索,錨索用Ф16mm 圓鋼焊制的規(guī)格2700×60mm 鋼筋梯子梁相連。非采煤幫在原兩排錨桿中間補(bǔ)打一排2 根錨桿,間排距1000×1000mm,錨桿采用Ф18×L2000mm螺紋鋼錨桿,上面一根錨桿距頂板550mm,下面一根距底板750mm,錨桿用Ф14mm 圓鋼焊制的規(guī)格1200×60mm 鋼筋梯子梁相連。錨索托盤采用300mm×300mm×16mm 的碟形托盤,錨桿托盤采用150mm×150mm×10mm 的碟形托盤,頂錨索預(yù)緊力不小于250kN,錨桿預(yù)緊扭矩不小于300N?m。留巷開始到結(jié)束補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案見圖3 所示。

        (2)充填體加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)與方案

        對于巷旁充填體的合理加固,能夠很大程度上提高充填體的穩(wěn)定性和支撐能力,因此根據(jù)實(shí)際條件及以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)采取如下的加固方式:

        ① 當(dāng)頂板條件較好時(shí),巷旁充填體高度為1.35m,采用對拉錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),錨桿間排距為0.9×0.8m,與頂?shù)装寰嚯x分別為0.25m、0.2m。錨桿采用直徑為22mm 的螺紋鋼錨桿,鋼筋梯子梁采用直徑為14mm 的圓鋼焊接而成,采用碟形托盤,型號:120mm×120mm×10mm;鋼筋網(wǎng)所用鋼筋直徑為6.5mm,使用12#鐵絲雙股聯(lián)網(wǎng),鋼筋網(wǎng)搭接部分不小于100mm。支護(hù)的詳細(xì)情況如圖4(a)所示。

        圖3 1103工作面運(yùn)輸順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖

        ② 當(dāng)頂板遇偽頂或頂板條件不好時(shí),充填體的高度為1.85m,對拉錨桿間排距調(diào)整為0.8×0.8m,每排3 根錨桿,與頂?shù)装彘g距分別為0.15m、0.1m。此時(shí)充填體加固圖如圖4(b)所示。

        圖4 頂板充填體加強(qiáng)支護(hù)布置圖

        4 巷道斷面收斂變形量監(jiān)測與分析

        (1)一次采動影響

        在1103 工作面回采期間,對巷道圍巖的變形及錨桿受力情況進(jìn)行觀測,結(jié)果如圖5 所示。由圖5(a)可知,運(yùn)輸順槽兩幫最大移進(jìn)量為785mm,充填體頂板最大下沉量595mm,實(shí)體煤側(cè)頂板最大下沉量為530mm,整體上來說沿空巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi),經(jīng)過維護(hù)修復(fù)后可以很好的復(fù)用;由圖5(b)可知,頂板錨桿受力最大約為85.0kN,幫錨桿最大為65.0kN,工作面采后80.0m 范圍內(nèi),頂板和煤幫處錨桿受力均小于其破斷極限,說明錨桿工作狀態(tài)正常,對巷道圍巖的控制起非常重要的作用。

        圖5 巷道變形及錨桿受力觀測結(jié)果圖

        (2)二次采動影響

        在工作面回采后對1103 工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行了維護(hù),恢復(fù)了斷面,在1105 工作面回采期間對留巷的圍巖位移量進(jìn)行觀測,整理后得到圖6 所示結(jié)果。1105 工作面回采過程中,超前工作面100m巷道圍巖的位移開始增加,巷道兩幫最大移進(jìn)量為810mm,實(shí)體煤幫側(cè)頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為260mm,充填體側(cè)頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量550mm,巷道圍巖整體上穩(wěn)定性較好,能夠滿足工作面生產(chǎn)的需求。

        圖6 巷道圍巖位移監(jiān)測結(jié)果圖

        5 結(jié)論

        通過理論分析、數(shù)值計(jì)算確定了巷旁充填體的參數(shù),選擇高水速凝材料澆筑的巷旁充填體作為巷旁支護(hù)體,確定充填體的寬度為1.4m;對沿空巷道頂板及充填體進(jìn)行支護(hù)加固,在1103 工作面回采期間對巷道圍巖位移及錨桿受力進(jìn)行監(jiān)測,并在1105工作面回采期間對留巷的圍巖位移情況進(jìn)行觀測,證明取得了很好的應(yīng)用效果。

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