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        超前預(yù)裂采空頂板沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用

        2021-07-04 02:51:46馮世超
        煤炭與化工 2021年5期

        馮世超

        (冀中能源股份有限公司,河北 邢臺054000)

        1 概 況

        葛泉礦隸屬于冀中能源股份有限公司,1983年12月開工建設(shè),1989年10月投產(chǎn),核定生產(chǎn)能力95萬t/a,主采煤層為2號、2下、5號煤。隨著礦井不斷開采,可采儲量逐年減少,為提高煤炭資源回收率,延長礦井服務(wù)年限,降低萬噸掘進率,在132下04工作面運料巷實施超前預(yù)裂采空頂板沿空留巷。132下04工作面位于2下煤三采區(qū)左翼,西南為2下煤三采區(qū)上山,西北為北翼-190 m大巷,東北為2下煤薄煤帶邊界。工作面平均煤厚1.77 m,頂?shù)装鍘r性特征見表1。

        表1 巖性特征Table 1 Lithologic characteristics

        2 頂板預(yù)裂卸壓方案

        工作面回采過程中,采空區(qū)頂板垮落不規(guī)則,沿空巷道上方形成懸頂,導(dǎo)致老頂與上覆巖層接觸力明顯降低,進一步造成了老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)變形和下沉,促使沿空巷道產(chǎn)生變形?;夭汕皩ο锏拦ぷ髅?zhèn)葞晚敯宀捎酶邚姸儒^索、單體支柱進行加強支護處理,布置一系列的預(yù)裂鉆孔進行定向爆破卸壓,使裂縫貫通形成一個裂縫面,待工作面推過后,懸臂梁在采動壓力和自身重力的作用下,沿裂縫面發(fā)生切落,減小懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形,減小傳遞到巷旁和巷內(nèi)的支護荷載,有利于巷道的穩(wěn)定和維護。

        2.1 預(yù)裂切頂鉆孔

        超前工作面35~50 m,沿工作面?zhèn)葞筒贾庙敯孱A(yù)裂切頂鉆孔,距離巷道中心線1 550 mm,鉆頭直徑φ48 mm,孔深10 000 mm,孔距600 mm,鉆孔與鉛垂線夾角20°,鉆孔布置如圖1所示。

        圖1 切頂鉆孔平面布置示意Fig.1 Layout of top cutting drill holes

        2.2 鉆孔爆破方式

        鉆孔爆破方式采用間隔裝藥,O型聚能管裝藥爆破。鉆孔裝藥前,先將礦用型乳化炸藥裝入O型聚能管,然后將O型聚能管裝入鉆孔,裝藥完成后采用黃泥封孔,封孔長度3 400 mm。炸藥選用礦用型乳化炸藥,裝藥量為4.8 kg/孔,聚能管3根/孔,每根聚能管插2個電雷管引爆,裝藥量及裝藥位置如圖2所示。

        圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Charge structure

        3 沿空留巷支護方案

        3.1 巷道規(guī)格

        132下04運料巷原設(shè)計斷面為4.0 m×2.4 m(寬×中高),支護方式為錨網(wǎng)支護。留巷后作為下一工作面的運輸巷使用,為滿足運輸、行人、通風(fēng)等要求,巷道成巷后凈斷面為3.6 m×2.4 m(寬×中高)。

        3.2 支護方案

        (1)錨索支護。對132下04運料巷頂板布置切頂錨索和加固錨索。在距上幫1 200 mm位置,施工加固錨索梁,采用φ17.8 mm×6 000 mm鋼絞線配2 m-12號槽鋼,間距2.0 m。在工作面超前50~70 m,距工作面?zhèn)葞? 000 mm處布置切頂錨索梁,采用φ17.8 mm×10 500 mm鋼絞線配2.0 m-12號槽鋼,間距0.9 m。在巷道上幫距頂1.5 m處施工幫部加固錨索梁,采用φ17.8 mm×4 500 mm鋼絞線配2.0 m-12號槽鋼,間距1.5 m。錨索布置及間排距如圖3所示。

        圖3 錨索支護平面布置示意Fig.3 Layout of anchor cable support

        (2)單體支護。工作面煤壁前方50 m范圍施工單體配π型鋼加強頂板支護,一梁三柱,排距0.5 m。單體支柱初撐力不低于90 kN,并要迎山有力。頂板與π型鋼之間采用木料褙實。

        (3)巷幫支護。為防止空區(qū)矸石竄入巷內(nèi),在工作面?zhèn)葞褪┕误w+十字頂梁+靠幫梁護幫,并吊掛5.0 mm×1.0 mm(長×寬)雙層金屬菱形網(wǎng)護幫,金屬網(wǎng)吊掛時長邊垂直巷道,一端采用錨桿固定于頂板,錨桿采用φ20 mm×1 000 mm螺紋鋼錨桿。巷幫支護如圖4所示。

        圖4 巷幫支護示意Fig.4 Roadway side support

        3.3 支護強度校驗

        在動壓影響的巷道中,沿空留巷是受影響最大的一類巷道。被動支護的工作狀態(tài),對沿空留巷的圍巖變形影響很大,是沿空留巷成敗的關(guān)鍵。一般情況下,單體梁提供的支護阻力,應(yīng)能避免直接頂板與其上部巖層之間產(chǎn)生明顯離層,以及巖層斷裂發(fā)生錯動,保證上覆巖層運動趨向緩和,很快使單體梁與圍巖處于相對平衡狀態(tài),有效地控制頂板下沉。在極端的情況下,假定錨網(wǎng)支護失效,直接頂沿巷道煤幫處斷裂,巖層之間力的聯(lián)系完全喪失,直接頂?shù)娜恐亓慷甲饔迷趩误w梁上。

        (1)控頂區(qū)內(nèi)的單位面積荷載。

        式中:M為采高,取2.4 m;B'為直接頂從巷道煤幫到切頂線的懸壁長度,即4.0 m;B為巷道寬度,4.0 m;kp為垮落矸石的初始碎脹系數(shù),一般為1.25~1.5,取1.25;γ為頂板巖層平均容重,取25.2 kN/m3。

        帶入數(shù)據(jù),得出P=0.242 MPa。

        (2)單位面積沿空留巷單體數(shù)量。

        式中:N1為上幫每排單體數(shù)量,取2;N2為下幫每排單體數(shù)量,取2;L1為上幫側(cè)單體排距,取0.5 m;L2為下幫側(cè)單體排距,取0.5 m。

        代入數(shù)據(jù),得出a=2.22根/m2。

        (3)單位面積支撐力。

        式中:F為單體額定工作阻力,取350 kN。

        0.777 MPa>0.242 MPa,滿足支護要求。

        4 施工工藝

        超前預(yù)裂采空頂板沿空留巷施工工藝見表2。

        表2 施工工藝流程Table 2 Construction process flow

        5 支護效果

        截至2020年底,葛泉礦132下04工作面運料巷實施超前預(yù)裂采空頂板沿空留巷200 m,通過圍巖表面位移、錨桿受力狀態(tài)、頂板離層以及圍巖深部位移等礦壓觀測手段,留巷區(qū)域頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤刂圃?00 mm范圍以內(nèi),礦壓顯現(xiàn)不明顯,留巷效果良好,提高了資源回收率,減少了巷道工程量,降低了萬噸掘進率,緩解了礦井接續(xù)緊張的局面,為類似地質(zhì)條件下的礦井提供了借鑒。

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