孟建杰
(同煤集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)綜采隊,山西 朔州 038300)
淺埋大采高工作面煤層埋深淺、基巖薄、上覆厚松散砂土,頂板不易形成關鍵層,基本頂破斷時不易形成穩(wěn)定結(jié)構,同時由于采高較大,來壓有明顯動載現(xiàn)象,礦壓顯現(xiàn)劇烈,巷道變形嚴重。同煤集團虎龍溝煤礦主要是采用長壁開采方法,在長壁開采中因需要留設煤柱會導致煤炭資源大量損失。進行切頂爆炸卸壓沿空自動成巷無煤柱開采試驗,對虎龍溝煤礦淺埋煤層工作面有重大意義。
大同煤礦集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司虎龍溝煤礦307 盤區(qū)3#層S1201 工作面位于307 風井西南部,沿東西方面布置,工作面走向長度2 415.7 m,傾斜長度286 m。工作面煤層厚度為2.74~4.76 m,平均厚度3.49 m;煤層傾角1°~4°,平均傾角3°;工作面埋深95~175 m,屬于淺埋層。工作面巖性:煤層偽頂為黑色炭質(zhì)泥巖,厚0.2~0.5 m,質(zhì)軟,易碎,裂隙發(fā)育,隨采隨落;直接頂板為粉砂巖,性脆,易碎,飽和抗壓強度2.84~13.82 MPa,抗拉強度為1.88 MPa,屬二級頂板;底板為粉砂巖,抗壓強度低,易碎。S1201 工作面布置情況如圖1。
圖1 S1201 工作面布置情況圖
基于S1201 工作面的地質(zhì)特征及現(xiàn)場實況,設計應用切頂卸壓沿空留巷工藝進行開采,其工藝方案關鍵技術主要有:(1)應用恒阻大變形錨索進行加強支護,有效控制頂板下沉;(2)采用聚能拉張爆破來實現(xiàn)巷道頂板定向預裂;(3)沿空擋矸巷旁的單體支柱支護頂板。
通過對S1201 工作面地質(zhì)及現(xiàn)場情況分析,試驗確定了S1201 工作面切頂卸壓沿空留巷參數(shù),如圖2。
(1)爆破預裂切縫參數(shù)。針對S1201 工作面直接頂較軟弱、基本頂堅硬的復合巖層條件,確定了爆破預裂切縫參數(shù):① 在運輸巷煤壁側(cè)距煤壁的0.3 m 處布置1 排聚能爆破孔,炮孔間距0.5 m,炮孔深度8 m,傾向采空區(qū)方向8°。② 聚能管最佳裝藥量為“3+2+3+2+1”卷,每孔5 根聚能管,聚能管長度全為1.5 m,封泥長度2.25 m,藥卷規(guī)格為D27 mm×300 mm,質(zhì)量200 g/卷。③ 聚能管外徑42 mm,內(nèi)徑36.5 mm,管長1500 mm,裝藥量1 kg。④ 封孔采用黃泥封孔,采用正向裝藥,單孔雷管串聯(lián)起爆。⑤ 確定鉆孔位置后,用錨桿鉆機鉆孔,鉆頭直徑50 mm。
(2)錨索補強加固支護參數(shù):① 恒阻錨索直徑21.8 mm,長度10.5 m,間排距1000 mm×1500 mm;恒阻器長500 mm,外徑72 mm,最大允許變形量300 mm,恒阻值33±2 t,預緊力28 t。② 靠近采空區(qū)側(cè)布置恒阻大變形錨索,距留巷幫700 mm,排距1000 mm。
(3)動壓加強支護參數(shù)。工作面架后200 m選用DZ25-25/100 型單體液壓支柱配金屬π 型頂梁進行支護,排距1.2 m,柱距0.8 m;每排單體上方架設一根π 型梁,長度4.5 m。擋矸支護“單體液壓支柱+11#工字鋼+鐵絲網(wǎng)”,該支護可以防止矸石躥入留巷內(nèi)影響留巷效果。
采用KGU101-200 頂?shù)装逡平縿討B(tài)觀測報警儀對S1201 工作面巷道頂?shù)装逡平壳闆r進行監(jiān)測,可得切縫側(cè)和煤柱側(cè)頂?shù)装逡平孔兓疽鈭D,如圖3。
圖3 S1201 工作面巷道頂?shù)装逡平孔兓?/p>
從圖3 可知,S1201 工作面巷道頂?shù)装逡平兓饕腥齻€階段:架后0~50 m 之間,受上區(qū)段鄰近工作面采動影響,老頂回轉(zhuǎn)下沉,從圖中可知架后40~60 m 頂?shù)装宕嬖诿黠@移近,頂板發(fā)生一次大面積來壓;架后60~150 m 之間,該階段頂板沒有完全穩(wěn)定,在基本頂觸矸后,隨著采空區(qū)矸石壓實,巷道頂?shù)装鍟軇訅河绊懓l(fā)生移近,但移近量變化趨勢較為平緩;架后150~350 m 之間,該階段巷道頂?shù)装逡平炕痉€(wěn)定,頂板表現(xiàn)有微量下沉,整體上處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。因此從架后200 m 左右位置可以回撤臨時支護設備。
從圖3 可知,在架后0~150 m 之間,切縫側(cè)頂板下沉量從0 增加到400 mm,之后趨于穩(wěn)定狀態(tài),切縫側(cè)下沉量穩(wěn)定在410~440 mm;架后0~100 m之間,煤柱側(cè)下沉量從0 增加到200 mm,之后趨于穩(wěn)定狀態(tài),煤柱側(cè)下沉量穩(wěn)定在210~240 mm。
對巷段兩幫移近情況進行監(jiān)測,得兩幫移近量變化圖,如圖4。從圖4 可知,巷段兩幫與頂板移近變化趨勢相同,在架后0~40 m 之間位置處有較大移近,之后兩幫移近趨于平緩,至架后140 m 處趨于穩(wěn)定,最大移近240 m 左右,在對臨時支護進行回撤后兩幫移近量無明顯增加。同時一般在回撤單體支柱前在留巷內(nèi)碎石幫側(cè)進行噴漿、注漿或砌防漏風墻等措施。
圖4 巷道兩幫移近量變化圖
從圖5 可知,恒阻錨索應力值在兩處位置有明顯的升高:第一處在滯后工作面38~50 m 的位置,在該處位置時基本頂巖層對恒阻錨索進行作用;第二處在滯后工作面100~120 m 位置,矸石在上覆巖層作用下造成頂板回轉(zhuǎn)變形。在整個過程中錨索最大拉力為357 kN,測點錨索達恒阻狀態(tài)。
圖5 恒阻錨索應力計錨索應力值變化曲線
通過對S1201 工作面的工業(yè)性試驗,確定了適合該礦S1201 工作面的施工方案及施工參數(shù)。從實踐應用結(jié)果來看,該巷道圍巖控制體系方案留巷效果良好,如圖6。
圖6 S1201 工作面成巷效果圖
針對大采高淺埋煤層的S1201 工作面,設計了切頂卸壓沿空留巷工藝的開采方案,通過對恒阻錨索受力、頂?shù)装逡平康膶崟r在線監(jiān)測,該切頂卸壓沿空留巷工藝方案能有效控制巷道圍巖的變形量,留巷效果良好。該研究為有效地實現(xiàn)煤礦高產(chǎn)高效安全開采提供了基礎。