劉文偉
(山西新元煤炭有限責任公司,山西 晉中 030600)
18506工作面走向長1302m,傾斜長251m。工作面所采煤層為石炭系太原組8號煤層,平均厚度約為4.43m,煤層傾角平均約為4°。直接頂是深灰色泥灰?guī)r,厚度約為2.32m。老頂是灰色粉砂巖,層厚約為2.33m。直接底是灰黑色粉砂質(zhì)泥巖,厚度約為4.87m。由于工作面回采后會遺留煤柱,造成資源浪費。為了減少煤炭資源浪費的現(xiàn)象,決定在18506運輸巷進行切頂卸壓沿空留巷。巷道布置如圖1所示。
圖1 工作面巷道布置
由于18506工作面煤層埋深較大,且頂板為泥砂巖,底板為粉砂質(zhì)泥巖。采用傳統(tǒng)的砌筑矸石帶和支設密集支柱會引起巷幫支承壓力過大,從而導致巷道變形嚴重。如果選用充填材料留設巷道,費用較大,影響經(jīng)濟效益。綜上所述,決定在運輸巷采用切頂卸壓沿空留巷的布置方式。
切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的作用原理就是,使采空區(qū)頂板沿著定向爆破的切縫線自然垮落下來,掉落的巖體形成新的巷幫。沿空留巷可以減少煤礦生產(chǎn)的掘進量,降低生產(chǎn)成本。
切頂?shù)母叨取⑶许數(shù)慕嵌纫约氨频你@孔間距是決定留設巷道好壞的決定性因素。想要完整的切下直接頂,就要確定好預裂切頂?shù)母叨取G许數(shù)慕嵌葧绊懠羟忻嬷g的摩擦力,進而決定頂板是否徹底垮落。此外還需優(yōu)化爆破鉆孔的間距,避免爆破過程中破壞想要保留的完整巖石塊。
2.2.1 切頂高度分析
預裂切縫深度設計公式如下:
式中 ΔH1:頂板下沉量,m;ΔH2:底鼓量,m;K:碎脹系數(shù),這里取1.4;
由于工作面煤層頂板為較為堅硬的泥砂巖,在切頂后能夠保持良好的完整性。在這種情況下,上方的壓力能夠更好的傳遞到頂板,從而使巷道的頂板承擔更少的壓力,提高巷道的穩(wěn)定性。綜合上述種種原因的考慮,最終決定模擬7m、9m和12m的切頂高度,以此來確定最后合適切頂高度。
2.2.2 切頂角度分析
根據(jù)巖石的碎脹性可知,如果直接沿著巷壁垂直向上切頂,破碎的頂板巖石會擠壓巷道頂板,致使采空區(qū)頂部不能垮落,巷道頂板會承擔一部分壓力。這樣留下的巷道會發(fā)生大范圍變形,影響自身穩(wěn)定性。為了較少采空區(qū)頂板及巷道頂板間的摩擦力,需要斜著向上切落頂板,具體的斜切角度可以參照以下公式:
式中:L為直接頂懸臂梁長度,取18~25m;LR為巷道寬度,取5m;hg采空區(qū)高度(取3.5m)
根據(jù)工作面的具體參數(shù),代入上述公式,得出切頂?shù)慕嵌仍?0°~15°之間。
2.2.3 預裂爆破間距分析確定
切頂高度和切頂角度的分析已經(jīng)在上文詳細討論。結(jié)合上述的分析,現(xiàn)決定采用聚能爆破管及乳化炸藥進行定向爆破。聚能爆破管的規(guī)格為φ48mm×1500mm。聚能爆破管內(nèi)放置規(guī)格為φ32mm×200mm的三級乳化炸藥。爆破孔間距設置為600mm。聚能管安裝于爆破孔內(nèi),每孔放置5根聚能管,封孔長度為2.25m。沿工作面回采方向,放置爆破聚能管進行切縫。布置方式如圖2所示。
圖2 爆破孔布置圖
經(jīng)過上述對切頂高度、切頂角度以及爆破孔間距的詳細討論,需要最終確定最佳的切頂施工參數(shù)。因此,決定采用數(shù)值模擬軟件,模擬分析實施各個切頂高度以及切頂角度后,留巷效果的質(zhì)量,選擇最合適的參數(shù)。物理模型的高度為46.2m,模寬度為210m,模型長度為580m。并且在巷道上方施加近似巖層自重的176.4MPa載荷。固定模型后,進行數(shù)值模擬。
1)切頂高度分析確定
模型建立后,賦予相應的力學參數(shù)。應力平衡后,分別對7m的切頂高度,9m的切頂高度,以及12m的切頂高度進行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果如圖3。
圖3 不同切頂高度垂直應力分布云圖
根據(jù)圖3的模擬結(jié)果可以看出,當切頂?shù)母叨仍O置為7m時,直接頂并沒有被貫穿,這種情況下巷道頂板依然會受力,不利于巷道穩(wěn)定。9m的切頂長度完全貫穿了頂板,上覆巖層作用在采空區(qū)頂板上,這種情況下采空區(qū)頂板與巷道頂板間的擠壓力小。同時,巷道的變形量也小有利于保持長期的穩(wěn)定性。12m的切頂高度雖然同樣貫穿了頂板,但是直接頂垮落的高度較大,巷道幫部可能會受到直接頂回轉(zhuǎn)擠壓,留巷的質(zhì)量不能得到保證。結(jié)合上述分析,9m的切頂高度留巷效果最好。
2)切縫角度分析確定。
通過上述的計算分析及討論,最終決定分別采用10°的切頂角度和15°的切頂角度模擬頂板的垮落情況。得到如圖4的模擬結(jié)果。
圖4 不同切縫角度垂直應力圖
根據(jù)圖4的切頂角度模擬結(jié)果圖可以看出,當把切頂角度設置為10°時,采空區(qū)頂板和巷道頂板之間的擠壓力不強,但是巷道側(cè)幫附近出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象。這樣的情況非常不利于巷道的后期維護。當把切頂?shù)慕嵌仍O置為15°時,采空區(qū)頂板及巷道頂板間的摩擦力較小,并且巷道頂板的變形量不大。與此同時采空區(qū)頂板的變形較大,這樣巷道側(cè)幫就不會受到回轉(zhuǎn)擠壓力,后期的巷道穩(wěn)定性能夠得到保障。因此選取15°的切頂角度,留巷質(zhì)量更好。
在進行切頂卸壓沿空留巷方案前,還需要考慮原有的巷道支護方案是否能夠繼續(xù)維持巷道周圍圍巖的穩(wěn)定性,為了更好的保證切頂卸壓后,巷道維持較好的穩(wěn)定性,在原有的巷道支護方案的基礎上,增加恒阻大變形錨索來進行加強支護。結(jié)合工程實際情況,提出如圖5的支護設計方案。
圖5 巷道支護斷面參數(shù)
18506運輸巷斷面尺寸為4.5×2.8m,巷道采用錨桿+金屬網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護方式。原本的支護方案是在頂板布置錨桿。錨桿的規(guī)格為Φ22×2400mm。錨桿的材質(zhì)是左旋螺紋鋼。錨桿間排距860×1000mm。頂板的錨索規(guī)格為 Φ21.6mm×7300mm。錨索為鋼絞線錨索。錨索托盤的規(guī)格為285×285×16mm。在巷道的兩幫布置錨桿,間排距為800×1000mm。錨桿的規(guī)格為Φ20×2200mm。材質(zhì)與頂板錨桿相同。在原有的支護基礎上,在頂板布置恒阻大變形錨索。錨索的規(guī)格為Φ21.8×8300mm。錨索的恒阻器長度為300mm,外徑72mm,恒阻值為33±2t,預緊力不小于28t。將恒阻大變形錨索隔空布置在原有錨索中間的位置,并且將恒阻大變形錨索的間排距設置為2000mm。
為了進一步驗證沿空留巷的效果,將施工后的運輸巷掘進面后50m作為試驗段,對試驗段每隔10m處斷面安裝多點位移計,進行為期15天的跟蹤監(jiān)測,試驗段所得監(jiān)測數(shù)據(jù)整理如圖6所示。
圖6 掘進過程中巷道斷面圍巖變化
由圖6可知,巷道頂板下沉量隨時間增長逐漸增大,最后穩(wěn)定在400mm,兩幫移近量隨時間增長逐漸增大,最后穩(wěn)定在120 mm。跟蹤監(jiān)測巷道一段時間后,發(fā)現(xiàn)巷道頂板穩(wěn)定,兩幫也沒有發(fā)生大變形。說明在15天內(nèi)巷道頂板及兩幫一直處于不斷變形的階段,最終趨于穩(wěn)定。沿空留巷后,巷道兩幫及頂?shù)装宓淖冃尉刂圃谠试S范圍內(nèi),能夠滿足巷道通風及行人的要求。因此沿空留巷效果良好,在掘進過程中巷道能正常安全的使用。
礦區(qū)以往會留設大量煤柱,造成資源浪費。為此,在18506工作面進行切頂卸壓沿空留巷。為了保證留巷效果的質(zhì)量,在切頂前對巷道進行了加強支護。運用數(shù)值模擬軟件,確定了最佳的切頂高度和切頂角度。切頂卸壓沿空留巷后,進行了后續(xù)的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟烤3衷谠试S范圍內(nèi),說明留巷效果良好。同時也為類似條件的煤礦實施沿空留巷提供了指導。