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        薄煤層無煤柱自成巷110工法技術應用研究

        2021-11-03 10:34:52
        同煤科技 2021年5期
        關鍵詞:煤柱型鋼錨索

        李 博

        (山西忻州神達能源集團有限公司 山西 忻州 034000)

        0 工程概況

        該礦井設計規(guī)模為120萬t/a,礦井許可開采標高+980 m~+620 m,煤層平均傾角3°~5°。其中11215回采工作面走向長575 m,傾斜長157 m。地面標高:+1 024 m~+1 074 m,井下標高:+718 m~+735 m,煤層埋深:289 m~356 m,煤層厚度1.53 m~1.61 m,平均1.57 m,煤層頂板為砂巖及泥巖、底板為泥巖,煤層平均傾角3°~5°,煤層產(chǎn)狀較平緩。煤層呈單斜構造,地質條件簡單,斷裂構造不發(fā)育。

        1 方案設計

        原巷道斷面為矩形斷面,掘進斷面規(guī)格:5 000 mm×2 600 mm,采用錨網(wǎng)支護,頂部打設4根?18 mm×2 000 mm右旋無縱筋螺紋鋼錨桿,頂錨桿間排距為1 200 mm×1 000 mm,兩幫各打設2根?18 mm×1 500 mm螺紋鋼錨桿,幫錨桿間排距為1 200 mm×1 000 mm,巷道全斷面錨網(wǎng)支護,錨桿為矩形布置。施工過程中如遇地質構造等情況需要對頂板加固時,進行錨索補強支護,錨索間排距為2 400 mm×3 000 mm。

        本方案采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護+巷道臨時支護”為主體的設計方案,通過預裂切縫爆破,在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞,減弱巷道頂板壓力,且預裂爆破能夠很好地保護巷道頂板完整性。利用恒阻大變形錨索進行補強加固,控制頂板下沉,使所留巷道圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用,減少巷道變形,保證留巷效果。工作面推進過程中,所留巷道會受到動壓影響,需要對所留巷道采取相應的支護措施。

        1.1 恒阻大變形錨索設計方案

        為了保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩(wěn)定性,在對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索補強加固,確保恒阻大變形錨索超前加固距離大于等于20 m。恒阻大變形錨索鋼絞線直徑為21.8 mm,長度為7 300 mm,恒阻器長500 mm,外徑79 mm,最大允許變形量350 mm,預緊力不小于28 t,托盤規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm,中間擴孔直徑100 mm。恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置,共布設2列,切縫側恒阻錨索距切縫線500 mm,排距1 000 mm;第二列恒阻錨索布置在巷道中線位置,排距2 000 mm。其中,切縫側每3根恒阻錨索使用W鋼帶進行連接,以提高頂板的整體強度。恒阻錨索支護設計方案如下圖所示。

        圖1 恒阻錨索支護設計示意圖(單位:mm)

        圖2 恒阻錨索支護設計平面示意圖(單位:mm)

        1.2 頂板預裂切縫設計方案

        采用雙向聚能爆破預裂技術,將特定規(guī)格的炸藥裝在兩個設定方向有聚能效應的聚能裝置中,炸藥起爆后,炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓,而在設定方向上集中受拉,依靠巖石抗壓怕拉的特性,使巖石按設定方向拉裂成型,從而實現(xiàn)被爆破體按設定方向張拉斷裂成型。其中切縫孔距巷道正幫設計為200 mm,與鉛垂線夾角為15°,切縫孔間距為0.5 m。雙向聚能管采用特制聚能管,特制聚能管外徑為42 mm,內徑為36.5 mm,管長1 500 mm。聚能爆破采用煤礦三級乳化炸藥,藥卷規(guī)格為?35 mm×200 mm/卷,單孔6卷。

        1.3 巷道臨時支護設計方案

        工作面推進過程中,不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響。工作面開采后,頂板開始垮落,且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間,因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進行頂板支護,還需進行擋矸支護。隨著工作面繼續(xù)推進,當巷道距工作面較遠時,頂板運動基本會趨于穩(wěn)定,此時可將架后用于臨時支護的設備撤掉,只進行擋矸支護即可。根據(jù)以往現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),將工作面附近巷道劃分為三個區(qū):超前支護區(qū)(工作面前方30 m),超后臨時支護區(qū)(架后0 m~200 m,具體范圍需要根據(jù)礦壓監(jiān)測結果確定)和成巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后),不同分區(qū)根據(jù)需要采取不同的支護措施,分區(qū)如下圖所示。

        圖3 巷道不同位置臨時支護示意圖

        1.3.1 超前支護區(qū)

        此段巷道位于工作面超前采動影響區(qū),巷道頂板壓力較大,因此需要超前加強支護。設計超前支護采用恒阻大變形錨索設計方案。

        1.3.2 超后臨時支護區(qū)(架后0 m~200 m)

        此段巷道位于工作面超后影響區(qū),受動壓影響明顯,巷道頂板壓力較大??紤]到井下實際情況,架后臨時支護采用單體液壓支柱+π型梁+U型鋼+鋼筋網(wǎng)的聯(lián)合支護形式。頂板加強支護采用單體支柱和π型梁進行,π型梁垂直巷道走向支設,排距1 000 mm,每排布置4根單體。為了防止采空區(qū)的矸石竄入巷道,同時需要擋矸支護。擋矸支護采用可縮U型鋼,相鄰U型鋼之間的距離為500 mm,U型鋼位于切縫位置。

        1.3.3 成巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后)

        此段巷道受采動影響很小,頂板下沉量及單體支柱的壓力變化也很小,可認為該區(qū)域已趨于穩(wěn)定狀態(tài),可將臨時支護的單體撤掉,只保留U型鋼和鋼筋網(wǎng)進行擋矸。

        2 監(jiān)測方案設計

        采用切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術后,需要對巷道及工作面的變形及受力情況進行監(jiān)測,以便制定進一步措施。其中對工作面的監(jiān)測主要是對液壓支架的受力進行監(jiān)測,靠近切縫側的40個支架每5架布置一個測點,工作面其余位置每10架布置一個測點。

        巷道內主要對恒阻錨索和單體支柱(或超后支架的受力和變形設點監(jiān)測。距留巷開始位置200 m范圍內每20 m布置一個測站,液壓支柱(或超后支架)測點布置與恒阻錨索的測點布置盡量保持一致,有利于以后綜合分析,隨后每隔50 m布置一個測站。測站布置如下圖所示。

        圖4 測站布置示意圖

        要定時對觀測數(shù)據(jù)做好記錄,及時整理,并根據(jù)觀測結果提出相關建議。每天觀測記錄及分析應及時上報有關人員便于及時調整參數(shù)并采取相應的安全技術措施。

        3 應用效果

        通過對現(xiàn)場進行監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析,該工作面在推進過程中錨索受力變化不大,基本趨于小幅度變化并趨于穩(wěn)定狀態(tài),頂板離層變化在±50 mm范圍內。采前和采后頂板至軌道面距離基本變化不大,最大距離控制在30 mm左右。在工作面推進過程中,采煤工作面前方20 m左右超前支撐壓力開始顯現(xiàn),后方30 m左右采后壓力開始趨于穩(wěn)定,通過對支架受力狀態(tài)分析,溜尾處支架受力基本處在恒定范圍內,說明工作面進風順槽切頂后,工作面頂板冒落及時?,F(xiàn)場的實際應用證明無煤柱開采在本礦實現(xiàn)了高產(chǎn)高效的目標,也從根本上解決了因為留設煤柱帶來的煤柱自然發(fā)火、應力集中引起的順槽巷道難維護等難題。

        4 結語

        薄煤層無煤柱自成巷110工法技術在該礦的預算成本為1 884元/m,原有巷道成巷預算為4 400元/m。由此可見,采用該技術可以取得顯著的經(jīng)濟效益,對于進一步降本增效、提高回收率有很大的促進作用。

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