何永強(qiáng)

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 太原煤氣化公司東河煤礦,山西 臨汾 041200)

復(fù)合型頂板亦稱(chēng)為離層型頂板,隨著煤炭行業(yè)的不斷發(fā)展,復(fù)合型頂板在煤礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中難于管理,發(fā)生頂板事故較多。另外,自2007年國(guó)土資源部首次提出“堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展,推動(dòng)綠色礦山”以來(lái),建設(shè)綠色礦山、發(fā)展綠色礦業(yè)已成為國(guó)家礦業(yè)界共同的行動(dòng)綱領(lǐng)和發(fā)展目標(biāo)。針對(duì)當(dāng)前煤炭形式,加強(qiáng)頂板治理將是重中之重。本文通過(guò)恒阻錨索在東河煤礦頂板管理方面的技術(shù)應(yīng)用實(shí)例,論述了其科學(xué)合理性,同時(shí)消除了頂板管理安全隱患,起到節(jié)本提效的作用[1-2]。

針對(duì)霍西煤田東河煤礦中厚煤層復(fù)合頂板條件復(fù)雜多變的特性,建立了巷道頂板分區(qū)方法,進(jìn)行了全巷道頂板巖性結(jié)構(gòu)探測(cè)分析,提出了不同頂板條件下恒阻錨索支護(hù)高度、切縫鉆孔深度、切縫鉆孔角度、裝藥結(jié)構(gòu)、留巷頂板臨時(shí)支護(hù)及擋矸支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

東河煤礦2#煤層區(qū)域劃分屬霍西煤田,礦井技術(shù)改造升級(jí)后產(chǎn)能為90萬(wàn)t/a,2#煤為三分之一焦煤。其礦井地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,為低瓦斯礦井。煤層、煤塵均有爆炸危險(xiǎn)性,同時(shí)煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類(lèi)自燃煤層；煤層厚度平均1.60 m,直接頂為砂質(zhì)泥巖、泥巖。根據(jù)頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果,泥巖抗壓強(qiáng)度為21.4～90.0 MPa,平均66.2 MPa；抗拉強(qiáng)度為1.4～2.8 MPa,平均2.10 MPa,屬軟弱-堅(jiān)硬巖石。砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為132.5～147.6 MPa,抗拉強(qiáng)度為2.3～2.7 MPa,平均2.10 MPa,屬較堅(jiān)硬巖石。其中，2206工作面埋深平均160 m；切眼長(zhǎng)度190 m；切眼至停采線長(zhǎng)度(留巷長(zhǎng)度)425 m；工作面煤層傾角0°～5°,平均3°；煤層平均厚度為1.90 m；巷道沿煤層底板掘進(jìn)施工,設(shè)計(jì)巷道斷面為矩形布置,掘進(jìn)巷道斷面巷毛高2.4 m,巷道毛寬3.8 m,凈斷面巷道高度2.2 m,巷道寬度3.6 m。如圖1所示。

圖1 東河煤礦2206工作面沿空留巷巷道位置布置

2 恒阻錨索對(duì)復(fù)合頂板的控制

在對(duì)東河煤礦井下地質(zhì)條件充分研究的基礎(chǔ)上,分析2206工作面巷道頂板每個(gè)巖層的性質(zhì)特點(diǎn),以及采用傳統(tǒng)錨-網(wǎng)-索支護(hù)所帶來(lái)的巷道受力擠壓變化。相對(duì)比較新型錨索的性質(zhì)特征和構(gòu)造特點(diǎn)[3],通過(guò)分析研判,充分了解掌握傳統(tǒng)錨-網(wǎng)-索支護(hù)工藝特點(diǎn)、新型錨索支護(hù)短板與利弊點(diǎn)。在采用沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采(110工法)技術(shù)后,要使巷道靠近采空區(qū)應(yīng)力傳遞重新分布[4],必須沿靠近煤幫采用水力切頂或采取定向爆破切頂,通過(guò)對(duì)巷道靠近采煤面頂板深度切縫后,伴隨工作面回采,直接頂垮落堆積,通過(guò)巷幫29#U型鋼擋矸,能夠按照設(shè)計(jì)要求形成下一工作面的順槽巷道。在頂板垮落過(guò)程中,巷內(nèi)支護(hù)必須達(dá)到一定的強(qiáng)度才能保證留巷的穩(wěn)定性,避免留巷初期頂板的快速下沉;同時(shí)需對(duì)中厚煤層復(fù)合頂板條件開(kāi)采切頂卸壓自動(dòng)成巷巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)相關(guān)的設(shè)備配套進(jìn)行研究[1],如圖2和圖3所示。

圖2 2206工作面順槽頂板窺孔圖

圖3 2206運(yùn)輸順槽頂板鉆孔巖性分布示意圖

采場(chǎng)進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破后形成切頂短臂梁結(jié)構(gòu),受采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)及二次采動(dòng)的影響,巷道頂板勢(shì)必出現(xiàn)圍巖大變形。傳統(tǒng)的巷道支護(hù)技術(shù)無(wú)法滿足巷道頂板的圍巖大變形，尤其是受采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力傳遞的影響,切頂后的巷道頂板必然會(huì)有較大的變形量,恒阻大變形錨索能夠忍受?chē)鷰r的大變形,保證了巷道的穩(wěn)定性[5]。

3 恒阻錨索對(duì)沿空留巷頂板的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

3.1 回采巷道順槽頂板穩(wěn)定性

采用沿空留巷必須首先保證回采初期工作面巷道順槽頂板完整穩(wěn)定,能夠防止跨冒、漏頂隱患危險(xiǎn)的發(fā)生[2]。采用恒阻錨索在2206工作面運(yùn)輸順槽沿空留巷前期進(jìn)行二次主動(dòng)支護(hù),實(shí)現(xiàn)2206工作面運(yùn)輸順槽恒阻錨索配合W鋼帶全巷道整體支護(hù),進(jìn)一步提升2#煤層砂質(zhì)泥巖頂板在實(shí)體煤側(cè)的抗彎抵抗力,使頂板離層和錯(cuò)動(dòng)在可控范圍內(nèi)發(fā)生,從而有效杜絕受周期壓力影響而導(dǎo)致的巷道冒頂。順槽巷道發(fā)生一定形變時(shí),恒阻錨索通過(guò)恒阻器產(chǎn)生動(dòng)作,有效釋放巷道形變能量,同時(shí)錨固支護(hù)阻力依然維持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了2206運(yùn)輸順槽可控范圍內(nèi)的巷道形變,有效避免了頂板事故的發(fā)生。

3.1.1原有巷道支護(hù)形式

2206運(yùn)輸巷巷道頂板主動(dòng)支護(hù)為錨桿配合錨索和鋼筋網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù),頂板支護(hù)沿巷道方向共設(shè)置5列,中間3列與巷道頂板沿水平呈90°夾角,靠巷道兩幫與巷道水平呈75°夾角,配備鐵制底托板;頂板每隔3.2 m在巷道中心線打1根錨索;巷道兩幫同樣采用圓鋼錨桿配合金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),錨索支護(hù)形式采用五花布置。當(dāng)受地質(zhì)構(gòu)造引起頂板破碎時(shí),通過(guò)縮小支護(hù)間排距重新掛網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。巷道支護(hù)如圖4和圖5所示。

圖4 2206運(yùn)輸順槽原始巷道斷面支護(hù)圖

圖5 2206運(yùn)輸順槽原始掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)布置圖

3.1.2恒阻錨索二次主動(dòng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)要求

恒阻錨索沿2206運(yùn)輸順槽巷道方向共布置2列,第1列恒阻錨索沿順槽切縫線法線方向600 mm布置,排間距800 mm;第2列沿中線布設(shè),排距1 600 mm;靠切縫線側(cè)第1列錨索全部配合W鋼帶聯(lián)合支護(hù),經(jīng)綜合分析研判,錨索采用礦方提供的直徑為21.8 mm的鋼絞線,專(zhuān)用恒阻器設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為500 mm,恒阻器外徑設(shè)計(jì)尺寸為72 mm,要求現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)恒阻值為294～343 kN,預(yù)緊力不小于245 kN。錨索鋼絞線長(zhǎng)度為10.3 m,恒阻錨索支護(hù)如圖6和圖7所示。

圖6 恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)剖面圖

圖7 恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)平面圖

3.2 高效退錨恒阻錨索措施

沿空留巷(2206運(yùn)輸順槽)留出的順槽巷道服務(wù)于下一個(gè)工作面(2202工作面)后,在沿空留巷順槽內(nèi)回采(2202工作面)推進(jìn)時(shí),由于巷道順槽整體支護(hù)要使尾巷跟隨工作面周期來(lái)壓垮落,不出現(xiàn)大面積懸頂,在巷道原有支護(hù)常規(guī)退錨的基礎(chǔ)上,必須對(duì)恒阻錨索進(jìn)行退錨作業(yè)。如何做到既提高工作效率,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,還能及時(shí)退錨恒阻錨索,是頂板治理需要解決的又一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題。

恒阻錨索分別由恒阻器、錨索體、托盤(pán)和螺母組成,如圖8所示[4]。圖中說(shuō)明如下：

(a)恒阻器結(jié)構(gòu)圖

1)錨索選用Φ21.8 mm×10.3 m恒阻錨索;

2)樹(shù)脂藥卷采用MSCK2360型錨固劑3卷;

3)W鋼帶規(guī)格為2 200 mm×280 mm×3 mm;

4)錨索托盤(pán)規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的鋼板;

5)恒阻器規(guī)格為HZS35-300-0.5,直徑為72 mm;

6)錨具規(guī)格21.8型。

根據(jù)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)恒阻錨索拉力干預(yù)所得結(jié)果(圖9)[3]顯示,在力的相互作用干預(yù)下,其工作阻力開(kāi)始逐漸升高,恒阻器進(jìn)行動(dòng)作并出現(xiàn)滑移形變,直至恒定阻力處于一段相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),達(dá)到其恒阻作用階段,恒定阻力穩(wěn)定狀態(tài)在恒阻器外鎖具滑移330～410 mm后發(fā)生急劇變化,因此要求在實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)其工作阻力在300～350 kN。恒阻錨索支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖9 靜態(tài)作用力拉伸曲線圖

根據(jù)作用力與反作用力原理,通過(guò)認(rèn)真分析恒阻錨索靜力拉伸實(shí)驗(yàn)曲線[5],結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)多次反復(fù)實(shí)踐,確定采用TQ22-400/63型錨索張拉泵進(jìn)行預(yù)緊力干預(yù),如圖11所示。

圖10 恒阻錨索現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)圖

圖11 恒阻器力學(xué)模型

選用TQ22-500型張拉泵超過(guò)錨索錨固極值,順利實(shí)現(xiàn)2202工作面沿空留巷順槽全部退錨,確保順槽尾巷隨回采推進(jìn)及時(shí)垮落,同時(shí)將實(shí)現(xiàn)材料復(fù)用回收,如圖12所示。

圖12 2206運(yùn)輸順槽預(yù)緊力拉伸

3.3 恒阻錨索載荷情況

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在錨索端部施加外圍干預(yù)作用力，使其位移發(fā)生變化并進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而能夠直觀觀測(cè)到恒阻錨索支護(hù)方式在支護(hù)頂板過(guò)程中的載荷情況,為施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供詳實(shí)可靠的支護(hù)參數(shù),再次干預(yù)巷道的圍巖控制形變量,確保其支護(hù)可靠有效[6]。具體布置情況如圖13所示。

圖13 2206工作面礦壓監(jiān)測(cè)布置示意圖

2206工作面沿空留巷回采推進(jìn)前,首先由技術(shù)人員對(duì)巷道及工作面的變形和受力情況進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè),回采工作面每間隔12 m對(duì)支架壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2206留巷順槽內(nèi)重點(diǎn)對(duì)巷幫、頂板、底板的移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)恒阻錨索受力情況,切眼后200 m范圍內(nèi)共布置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),切眼外每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相距50 m左右,重點(diǎn)監(jiān)測(cè)錨索錨固力和錨索載荷。人工實(shí)地測(cè)量監(jiān)測(cè)與檢測(cè)設(shè)備相互進(jìn)行比對(duì)監(jiān)測(cè),充分掌握錨索及恒阻器的工作狀況[6]。具體檢測(cè)結(jié)果如下。

1)伴隨著2202回采工作面的回采持續(xù)推進(jìn),頂板集中應(yīng)力不斷傳遞,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)統(tǒng)計(jì),集中應(yīng)力超前影響范圍為30～33 m,平均32 m,如圖14所示。

圖14 恒阻錨索現(xiàn)場(chǎng)變形量觀測(cè)

2)回采工作面留巷順槽尾巷約在25 m范圍內(nèi),受工作面周期來(lái)壓影響頂板周期垮落,集中應(yīng)力重新分布,錨索應(yīng)力逐漸減小;尾巷后約60～75 m范圍,隨著回采工作面推進(jìn)速度加快,出現(xiàn)新的應(yīng)力波動(dòng),最終趨于穩(wěn)定,如表1所示。

表1 錨索應(yīng)力變化關(guān)鍵位置及最大拉應(yīng)力

3.4 頂板離層變化情況

通過(guò)對(duì)2206運(yùn)輸順槽頂板離層變化規(guī)律進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),工作面推進(jìn)速率對(duì)巷道頂板離層產(chǎn)生的直接影響一般處于超前25～30 m范圍內(nèi)。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)(表2),工作面切眼超前支護(hù)15～20 m巷道頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象。滯后工作面100 m范圍內(nèi),頂板離層變化量相對(duì)較大,工作面回采過(guò)后,頂板離層值趨于穩(wěn)定時(shí)滯后工作面的距離分別為41 m、96 m、47 m、144 m和98 m。通過(guò)觀察頂板,相對(duì)穩(wěn)定位置為滯后工作面140～150 m處。

表2 工作面回采推進(jìn)影響頂板離層變化情況

3.5 留巷效果

通過(guò)恒阻錨索在東河煤礦2206運(yùn)輸順槽的實(shí)踐應(yīng)用,研究了傳統(tǒng)留設(shè)煤柱與沿空留巷所反映出巷道頂板應(yīng)力的分布規(guī)律,以及沿空留巷技術(shù)方法選擇的合理性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了恒阻錨索在頂板治理過(guò)程中的關(guān)鍵作用(圖15),從根本上防治了礦井因?yàn)榱粼O(shè)煤柱帶來(lái)巷道鼓幫、應(yīng)力集中引起的下順槽巷道維護(hù)困難等技術(shù)難題,解決了因掘進(jìn)導(dǎo)致接續(xù)緊張問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)礦井年限及無(wú)煤柱高回收率開(kāi)采。

圖15 2206工作面運(yùn)輸順槽沿空留巷效果

通過(guò)礦壓監(jiān)測(cè)可知,采用恒阻錨索支護(hù)控制2206回采工作面順槽頂板沿空留巷切頂影響區(qū)較留設(shè)煤柱即121工法區(qū),平均壓力減小4.2 MPa,降低了17.1%,影響范圍30 m。通過(guò)巷道離層、頂?shù)装寮皟蓭臀灰?、錨索與支柱受力及活柱縮量的觀測(cè),得到工作面超前應(yīng)力產(chǎn)生影響范圍約30 m;當(dāng)滯后工作面距離大于約160 m后,巷道頂板離層、錨索應(yīng)力、液壓?jiǎn)误w支柱與頂板下沉量趨于穩(wěn)定。當(dāng)滯后工作面距離大于160 m后,巷道圍巖基本穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)通過(guò)恒阻錨索在東河煤礦2206回采工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),證實(shí)了該技術(shù)在東河煤礦實(shí)施沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采過(guò)程中取得了預(yù)期效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集頂板壓力數(shù)據(jù)分析,此支護(hù)工藝可推廣應(yīng)用至掘進(jìn)、開(kāi)拓巷道過(guò)地質(zhì)構(gòu)造、大斷面丁型巷道掘進(jìn)開(kāi)口頂板跨度大于8 m等加強(qiáng)支護(hù)區(qū)域。

2)2019年9月東河煤礦首先在二采區(qū)2206工作面運(yùn)輸順槽實(shí)施沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采新技術(shù),經(jīng)過(guò)一年來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,水力或定向爆破提前對(duì)直接頂頂板進(jìn)行深孔切縫,伴隨回采推進(jìn)礦井周期來(lái)壓,留巷順槽內(nèi)經(jīng)過(guò)整體護(hù)幫及二次頂板主動(dòng)支護(hù),順利留巷425 m,實(shí)現(xiàn)了真正意義的無(wú)煤柱開(kāi)采。

3)自2019年9月開(kāi)始實(shí)驗(yàn)論證,截止2021年2月24日，2202工作面安全順利回采結(jié)束,成功留巷425 m；同時(shí)2202回采工作面回采推進(jìn)過(guò)程中，沿空留巷順槽(2206運(yùn)輸順槽)經(jīng)過(guò)恒阻錨索退錨后，能夠伴隨周期來(lái)壓全部垮落,避免了因恒阻錨索整體支護(hù)造成的懸頂面積過(guò)大等隱患的發(fā)生。