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        大同礦區(qū)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)應(yīng)用

        2022-05-23 08:30:16孟佑輝
        同煤科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:切頂支柱型鋼

        孟佑輝

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司 山西 大同 037026)

        0 引言

        沿空留巷就是采用一定的技術(shù)手段沿著采空區(qū)邊緣在原順槽位置將上一區(qū)段的順槽重新支護(hù)留給下一區(qū)段使用,因此提高無煤柱工作面留巷段巷道穩(wěn)定性至關(guān)重要,就需要從巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、擋矸支護(hù)、切頂預(yù)裂、沿空留巷支護(hù)等綜合技術(shù)進(jìn)行分析研究。

        1 概述

        同忻三盤區(qū)山2號(hào)層8201工作面采用無煤柱采煤法,面長(zhǎng)180 m,可采走向長(zhǎng)1 270 m,工作面埋深450 m~510 m,基本頂巖性為中粗粒砂巖,厚度19.2 m~25.1 m,直接頂巖性為粉細(xì)砂巖,厚度為12.8 m~19.8 m,偽頂巖性為泥巖,厚度0.33 m~0.86 m,直接底巖性為粉細(xì)砂巖,厚度0.78 m~1.16 m;皮帶運(yùn)輸巷、輔助運(yùn)輸巷巷道斷面規(guī)格均為5.2 m×3.6 m,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),頂錨索使用?17.8×9 300 mm 鋼絞線,間排距1 600 mm×3 000 mm,頂錨桿使用?22×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距900 mm×1 000 mm,幫錨桿使用?20×2 000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距1 000 mm×1 000 mm;在輔助運(yùn)輸巷進(jìn)行沿空留巷技術(shù),采用“切頂卸壓+補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)+U29 型鋼擋矸支護(hù)”的方法,在山2#層同忻三盤區(qū)8201 無煤柱工作面5201巷進(jìn)行沿空留巷工作。

        2 補(bǔ)強(qiáng)錨索加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

        2.1 補(bǔ)強(qiáng)錨索長(zhǎng)度計(jì)算

        為了保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩(wěn)定性,在對(duì)巷道頂板進(jìn)行切頂前采用錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。其中補(bǔ)強(qiáng)錨索長(zhǎng)度計(jì)算可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

        式中:LH—補(bǔ)強(qiáng)錨索長(zhǎng)度,m;

        HF—切縫深度,m。

        HC—為工作面采高,m。

        即恒阻錨索長(zhǎng)度通常比切縫高度長(zhǎng)2 m,以采高2.7 m 計(jì)算,那么補(bǔ)強(qiáng)錨索的長(zhǎng)度為9.02 m,同時(shí)為確保穩(wěn)定在穩(wěn)定巖層中不低于1.6 m,查看頂板柱狀圖可以確定直接頂為7.2 m~8.3 m,錨索長(zhǎng)度選擇10.3 m符合設(shè)計(jì)要求。

        2.2 錨索間排距設(shè)計(jì)

        單位面積內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)錨索的數(shù)量計(jì)算:

        式中:

        Pn—單位面積內(nèi)頂板壓力,kN;

        P0—補(bǔ)強(qiáng)錨索恒阻值,kN,取252 kN;

        K—安全系數(shù),取1.1~1.3,取1.3。

        經(jīng)過計(jì)算,每平方米需要1.13 根?21.8 mm 的錨索,我們?cè)O(shè)計(jì)中在原支護(hù)基礎(chǔ)上共布設(shè)2 列,采用“三花型”布置。第一列錨索距8201煤壁幫650 mm,排距1 500 mm;第二排距第一列1 150 mm 為補(bǔ)打,排距3 000 mm,符合上述計(jì)算要求。

        在工作面正?;夭汕凹肮ぷ髅媲醒邸?201巷預(yù)裂切頂前,在工作面超前不小于150 m 施工補(bǔ)強(qiáng)錨索加固巷道,并在靠近煤壁側(cè)一排補(bǔ)強(qiáng)錨索上沿著巷道走向添加3.4 m鋼帶提高整體支護(hù)性能[1]。(見圖1)

        圖1 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)實(shí)物圖

        3 頂板預(yù)裂爆破

        在保證補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)超前預(yù)裂切縫施孔不小于50 m的前提下,按工作面推進(jìn)方向,對(duì)5201 巷巷道至少超前工作面回采50 m 完成爆破預(yù)裂,一次起爆5 m 范圍內(nèi)的炮孔,確保形成切頂卸壓預(yù)裂切縫線[2]。

        3.1 爆破使用材料

        雙向聚能管采用特制聚能管,外徑為42 mm,內(nèi)徑為36.5 mm,管長(zhǎng)1 500 mm。采用煤礦許用三級(jí)乳化炸藥,規(guī)格為直徑?35×300 mm/卷,電雷管采用同一段煤礦許用毫秒延期電雷管。炮眼封泥必須使用水炮泥,炮袋使用規(guī)格?42×500 mm牛皮紙炮袋。

        3.2 預(yù)裂爆破分區(qū)

        開切眼至600 m 切縫孔深為9.5 m。安裝5 根聚能管,封土1.8 m~2.0 m,在施工過程中根據(jù)采空區(qū)塌落情況采用過5+3+3+3+1和4+3+3+3+2裝藥結(jié)構(gòu),一次起爆8個(gè)孔。

        從600 m 至停產(chǎn)線切縫孔深為8.1 m/9.5 m。安裝4 根聚能管,封土2.1 m,裝藥結(jié)構(gòu)采用4+3+3+2,根據(jù)采空區(qū)垮落情況采用過4+4+3+3 和5+4+3+3+1,一起起爆5~8個(gè)孔。

        3.3 試驗(yàn)情況

        3.3.1 預(yù)裂方案一(孔深9.5 m,距開切眼50 m~100 m)

        表1 距開切眼50 m~100 m試驗(yàn)區(qū)切頂預(yù)裂爆破參數(shù)

        采空區(qū)懸板相對(duì)沒有明顯改善,仍在15 m 左右。為進(jìn)一步改善采空區(qū)懸板長(zhǎng)度過長(zhǎng)、可控性低的問題,決定在孔深不變的情況下,增加孔底裝藥量、適當(dāng)縮短孔間距進(jìn)行下一步試驗(yàn),見圖2。

        圖2 預(yù)裂方案一窺視圖

        3.3.2 預(yù)裂方案二(孔深9.5 m,距開切眼100 m~150 m)

        表2 距開切眼100-150m試驗(yàn)區(qū)切頂預(yù)裂爆破參數(shù)

        經(jīng)對(duì)采空區(qū)懸板觀測(cè)統(tǒng)計(jì),懸板也有明顯減少,并呈規(guī)律性垮落。

        3.3.3 預(yù)裂方案三(孔深8.1 m,距停采線600 m~500 m)

        表3 距停采線600 m~500 m試驗(yàn)區(qū)切頂預(yù)裂爆破參數(shù)

        對(duì)采空區(qū)進(jìn)行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)尾采空區(qū)懸板長(zhǎng)度較大,懸板長(zhǎng)度在20 m左右時(shí)才會(huì)隨開采推進(jìn)垮落,對(duì)懸板垮落的的控制效果不理想。

        3.3.4 預(yù)裂方案四(將孔深8.1 m 調(diào)整為9.5 m,距停采線500 m~400 m)

        表4 距停采線500 m~400 m試驗(yàn)區(qū)切頂預(yù)裂爆破參數(shù)

        統(tǒng)計(jì)尾部采空區(qū)懸板有明顯減少,通常在10 m左右呈現(xiàn)有規(guī)律的垮落。

        3.4 預(yù)裂效果

        通過在5201 巷不同位置采用方案二進(jìn)行切頂預(yù)裂爆破,爆破后的孔預(yù)裂效果較好,在開采110 m時(shí)發(fā)現(xiàn)一塊頂板預(yù)裂效果非常好的石塊(如圖3),可以看出預(yù)裂效果顯著。

        圖3 塌落下來的巖塊

        4 架后巷道臨時(shí)支護(hù)及擋矸支護(hù)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

        (1)5201巷架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)單體液壓支柱支設(shè)長(zhǎng)度為200 m,支設(shè)5排單體液壓支柱。第一排為切頂留巷擋矸側(cè)單體液壓支柱,柱距0.5 m,距29U型鋼0.5 m,配合使用0.8 m長(zhǎng)的π型梁,第二排單體液壓支柱距第一排單體液壓支柱1 m。第二、三、四、五排單體液壓支柱相互之間排距均為1 m,柱距0.9 m,配合使用0.8 m長(zhǎng)的π型梁,一梁一柱[3]。

        5201 巷架后擋矸支護(hù)。開采時(shí)按照設(shè)計(jì)要求利用U29 型鋼和單體間隔支設(shè),U 型鋼和單體間距為0.25 m,在開采15米時(shí)采空區(qū)初次垮塌,該方法擋矸效果良好,但是隨著開采,采空區(qū)的垮塌,有較大的石頭對(duì)U 型鋼和單體支柱沖擊,造成U 型鋼變形和單體的變形為此,進(jìn)行了三次改進(jìn)。(見圖4)

        圖4 原設(shè)計(jì)的擋矸支護(hù)圖

        (2)第一次改進(jìn):從開切眼位置開始向外20 mU型鋼底座直接坐落在硬化的底板上,發(fā)現(xiàn)在采空區(qū)塌落后,直接將U 型鋼推到巷道內(nèi),支護(hù)效果差,為此我們?cè)谥гO(shè)時(shí)進(jìn)行起底,將底座坐落在梁窩內(nèi),起到了一定的支護(hù)效果。

        (3)第二次改進(jìn):開采50 m 后,為減少單體的損壞,又保證支護(hù)效果,改變了擋矸單體的支護(hù)方式,將擋矸單體和U型鋼并排支設(shè),利用0.8 m長(zhǎng)的π型梁垂直巷道布置,頂住U 型鋼,經(jīng)過試驗(yàn)后,采空區(qū)垮塌時(shí)部分U型鋼上部被擠出,但是沒有矸石竄到巷道內(nèi),取到了較好的支護(hù)效果。(見圖5)

        圖5 改進(jìn)后的支護(hù)圖

        (4)第三次改進(jìn):在觀測(cè)采空區(qū)塌落后,還存在U型鋼上部從π 型梁側(cè)面擠開,因此為了π 型梁能更好的起到水平支撐作用,從259架U型鋼(130 m)開始將U型鋼凹面向巷道,π型梁卡在凹面內(nèi),并且將U型鋼上部的鋼筋從?20 mm換成?30 mm,超出U型鋼邊緣長(zhǎng)度從50 mm 換成80 mm;同時(shí)將上部焊接的鐵板由200 mm 長(zhǎng)換成250 mm 長(zhǎng),增加接觸面積,經(jīng)過這次改進(jìn)后起到了非常好的效果,單體損壞從開采初期30%,下降到了2%以內(nèi)。成巷效果見圖6。

        圖6 留巷段成巷效果

        5 結(jié)論

        經(jīng)過工作面長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐,以及礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)分析觀測(cè),采用預(yù)裂孔孔深9.5 m、孔間距350 mm~400 mm、使用4根半聚能管、裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整為“5+4+3+3+1”、機(jī)制炮泥封孔、封孔長(zhǎng)度2.6 m的方案,此時(shí)頂板爆破預(yù)裂效果最好;同時(shí)在沿空留巷段臨時(shí)支護(hù)區(qū)支設(shè)5 列單體液壓支柱,排距為1.0 m,配合使用0.8 m 長(zhǎng)的π 型梁,一梁一柱支護(hù)頂板,第一列單體液壓支柱距煤壁0.7 m,第二列單體液壓支柱與第一列單體液壓支柱間距1.7 m,第三列單體液壓支柱與第二列間距為0.9 m,第四列柱單體液壓支柱與第三列間距為0.8 m,第五列為切頂留巷擋矸側(cè)單體液壓支柱,柱距0.5 m,緊貼29U 型鋼支設(shè),直接支設(shè)在U 型鋼的上部卡槽內(nèi),巷道穩(wěn)定性好,總體上巷道頂?shù)装鍩o明顯變形,留巷效果良好。

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