朱云龍

(山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030000)

隨著煤炭開采及支護(hù)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步，煤炭開采效率越來越高，留煤柱護(hù)巷也在很多礦井回采巷道中予以應(yīng)用。在開采深度較大的礦井，護(hù)巷煤柱也隨之變寬，產(chǎn)生了資源浪費(fèi)問題。此外，在回采過程中，護(hù)巷煤柱承受的應(yīng)力逐漸增大，引起巷道垮塌變形，嚴(yán)重影響生產(chǎn)[1-3]。為了解決以上問題，提出了一種新型護(hù)巷方式即沿空留巷，其具有取消預(yù)留煤柱、加大煤炭采出率、防止瓦斯超限、減小圍巖應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)[4-8]，引起國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者的深入研究。

劉建功等[9]為了提高固體充填開采工作面沿充留巷作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提出一種沿固體充填工作面后方充填體邊緣留巷的機(jī)械化方法，把沿空留巷與充填開采相結(jié)合，可最大化地開采資源。柏建彪等[10]在青龍同昌煤礦15102工作面開展沿空留巷試驗(yàn)研究，以高水材料充填沿空留巷以基礎(chǔ)，提出“基本頂二次破斷”的覆巖頂板運(yùn)動(dòng)特征，并開展數(shù)值模擬，結(jié)果表明充填留巷覆巖基本頂?shù)男D(zhuǎn)下沉是留巷巷道所受外力的主要來源。張智強(qiáng)等[11]在白芨溝煤礦0102～402工作面進(jìn)行特厚煤層分層開采沿空留巷，提出巷道副幫小煤柱加固方案、特厚煤層分層開采雙柔模墻沿空留巷設(shè)計(jì)方案實(shí)踐結(jié)果表明：實(shí)施雙柔模墻開采技術(shù)后，有助于提高煤炭采出率，頂?shù)装逍巫兞繙p小，巷道整體留巷效果良好。以上科研成果對(duì)沿空留巷技術(shù)的快速發(fā)展起到了重大促進(jìn)作用，然而由于國(guó)內(nèi)各煤礦煤層賦存條件各不相同，尤其西山礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、開采年限長(zhǎng)，此礦區(qū)的煤礦在開展留巷時(shí)，因開采深度較大、頂板破碎，留巷后頂板變形量大，且煤幫被擠壓凸出、底鼓嚴(yán)重，使得沿空留巷技術(shù)在西山礦區(qū)推廣難度較大[12-13]。

基于西山礦區(qū)官地礦在沿空留巷時(shí)，存在因開采深度較大、頂板破碎，留巷后頂板形變量大，且煤幫被擠壓凸出、底鼓嚴(yán)重的難題，本文以山西焦煤集團(tuán)西山煤電公司官地礦12607綜采面為研究對(duì)象，在12607綜采工作面開展切頂卸壓柔模墻支護(hù)技術(shù)研究，為鄰近礦井提供了一定的技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

官地礦12607綜采工作面位于南六采區(qū)膠帶巷東南側(cè)，工作面上方為12605工作面，回采后預(yù)計(jì)會(huì)造成相鄰巷道頂板破碎變形等狀況。工作面開采煤層為2號(hào)煤，工作面標(biāo)高為999～1 062 m.地面標(biāo)高范圍1 308～1 488 m，高差180 m.蓋山厚度280～438 m，平均359 m.工作面沿走向和傾向方向的長(zhǎng)度分別為851 m和211 m，煤層厚度為2.5～3.1 m，平均厚度為2.78 m，煤層傾角為5～15°，平均傾角為8°.工作面外段軌道運(yùn)輸巷采用沿空留巷技術(shù)，巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面布置情況

工作面2號(hào)煤層為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，全工作面穩(wěn)定可采，以亮煤為主，2號(hào)煤層頂板屬于復(fù)合型頂板，頂板巖層為砂泥巖互層，具有一般的巖層穩(wěn)固性，在構(gòu)造發(fā)育地段易垮落。

2 柔模墻支護(hù)技術(shù)原理

圖2為柔模墻支護(hù)技術(shù)原理。從圖2得出：將1組爆破孔布置于工作面前方回采側(cè)沿空留巷頂板肩角處，開采工作面前借助定向爆破將工作面頂板切頂卸壓，頂板懸臂梁上的應(yīng)力和懸臂梁回轉(zhuǎn)的變形壓力明顯下降，巷旁和巷內(nèi)支護(hù)體上的應(yīng)力進(jìn)一步降低，從而提高了巷道圍巖力學(xué)環(huán)境。隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，在滯后工作面煤壁一定范圍內(nèi)，將柔模板安設(shè)于支架后方巷旁充填處，利用攪拌機(jī)把添加劑、沙子、石子以及水泥以一定比例攪拌均勻形成混凝土，再通過漿液泵供到柔模板內(nèi)，等混凝土完全凝固穩(wěn)定之后，最終產(chǎn)生支護(hù)強(qiáng)度高的柔模墻[14]。沿空留巷后該柔模墻可成為新的巷幫，既能夠有效支護(hù)頂板，抑制頂板下沉，還可以減少采空區(qū)有毒有害氣體涌出，確保工作面安全回采。

圖2 柔模墻支護(hù)原理

3 支護(hù)工藝

3.1 巷道支護(hù)

由于12607工作面軌道運(yùn)輸巷沿空留巷之后遭受兩次采動(dòng)作用，導(dǎo)致巷道承受的壓力增大，圍巖變形量增大，另外巷道斷面需達(dá)到通風(fēng)與運(yùn)輸要求，所以沿空留巷的斷面形狀按照梯形進(jìn)行設(shè)計(jì)，面積為20.8 m2，選擇“錨桿+錨索+鋼帶+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，具體如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)(mm)

頂板、回采幫與非回采幫所使用的錨桿型號(hào)與錨固力、金屬網(wǎng)均相同，其中頂板錨索按照1排5根布置，間排距與錨固力見表1.同時(shí)使用W型鋼帶輔助支護(hù)；回采幫不布置錨索，錨桿間排距為700 mm×800 mm，使用H型鋼帶輔助支護(hù)；非回采幫與頂板錨桿間排距布置一致，同時(shí)采用D10 mm鋼筋焊制成的H型鋼帶輔助支護(hù)，并在幫中部布置1根鋼絞線錨索，規(guī)格為D21.8 mm×4 200 mm，排距為1 600 mm，設(shè)計(jì)錨固力≥140 kN.

表1 錨桿和錨索型號(hào)

3.2 充填處支護(hù)方式

為提高巷旁待充填區(qū)域柔模墻的施工速度，減小頂板下沉量，在巷旁待充填區(qū)域的支架前方提前鋪設(shè)由10號(hào)鐵絲編織的雙層菱形網(wǎng)，達(dá)到頂板的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，利用架間施工錨索固定菱形網(wǎng)，錨索選用D21.8 mm×7 200 mm，間距設(shè)計(jì)為1 600 mm.

巷旁待充填地點(diǎn)選擇擋矸方法為“木點(diǎn)柱+金屬網(wǎng)+擋矸板”。使用2塊鋼板焊接成擋矸板，鋼板尺寸為1 600 mm×4 800 mm×50 mm(高×長(zhǎng)×厚)，在刮板輸送機(jī)機(jī)尾側(cè)支架上連接好擋矸板，隨著工作面不斷推進(jìn)，擋矸板持續(xù)向前移動(dòng)；在支架上部提前將金屬網(wǎng)鋪設(shè)好，隨著支架不斷前移，金屬網(wǎng)滑落至擋矸板上；在支架的作用下，每次擋矸板被拉移1個(gè)步距，就在靠近巷道一側(cè)緊貼擋矸板間隔800 mm打設(shè)1根木點(diǎn)柱。

3.3 巷旁支護(hù)方式

巷旁采用柔模墻來支護(hù)，12607軌道運(yùn)輸巷寬度設(shè)計(jì)是5.2 m，沿空留巷寬度保持在4.0 m，柔模墻尺寸為1.0 m×4.4 m(寬×高)，柔模板選用C30混凝土制作，長(zhǎng)度為3 000 mm.通過提前在柔模板上留設(shè)好錨桿孔，在錨桿穿入孔之后，兩端安設(shè)好托板和螺母，最后澆筑混凝土，明顯增大了柔模墻強(qiáng)度，降低了墻體橫向變形量。橫向錨桿孔的直徑為22 mm、間排距為750 mm×750 mm，縱向使用H型鋼梁聯(lián)合支護(hù)，為了抑制柔模板的橫向變形，在每個(gè)柔模板施工20根錨桿和4根H型鋼梁，同時(shí)在距離柔模板頂部500 mm的區(qū)域施工1個(gè)泵漿口，其直徑為250 mm.

3.4 巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)方式

沿空留巷開展臨時(shí)支護(hù)工作的范圍為至少超前工作面50 m及滯后工作面100 m，以確保巷道的穩(wěn)定性和可靠性，支護(hù)方式選用“單元支架+單體液壓支柱+鉸接頂梁”。圖4為超前工作面巷道，在非回采幫每間隔2 500 mm布置單元支架，工作面開采時(shí)單元支架從超前支護(hù)自動(dòng)轉(zhuǎn)為滯后支護(hù)；在回采幫側(cè)每間隔1 000 mm布置單體液壓支柱和鉸接頂梁，與煤壁距離保持在1 000 mm，伴隨工作面開采逐步將其搬移到工作面后方作為滯后支護(hù)。位于滯后工作面這段巷道內(nèi)，單元支架的支護(hù)方式仍與超前工作面相同；單體液壓支柱和鉸接頂梁的布置間距不變，仍為1 000 mm，與柔模墻的距離保持在600 mm.

圖4 超前臨時(shí)支護(hù)

因單元支架具有較高的支護(hù)強(qiáng)度和良好的護(hù)頂效果，工作面超前及滯后支護(hù)均選用單元支架，另外借助單軌吊從后向前移動(dòng)單元支架循環(huán)支護(hù)頂板，頂板僅支護(hù)1次，解決了傳統(tǒng)的重復(fù)支護(hù)頂板難題。

4 預(yù)裂支護(hù)參數(shù)確定

4.1 預(yù)裂切頂高度及角度

預(yù)裂切頂高度計(jì)算見公式(1)：

H=(M-VH1-VH2)/(K-1)

(1)

式中：H為預(yù)裂切頂高度，m；M為煤層采高，取2.78 m；VH1為頂板下沉量，m；VH2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)(1.3～1.5)，取1.33.

忽略巷道底鼓以及頂板下沉的影響，計(jì)算獲得預(yù)裂切頂高度為8.42 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用8.5 m爆破，設(shè)計(jì)卸壓孔與鉛垂線之間的夾角為10°(向采空區(qū)側(cè)偏轉(zhuǎn))，距回采幫的距離為200 mm，每間隔500 mm布置。

4.2 工藝參數(shù)選取

借助雙向聚能爆破技術(shù)進(jìn)行預(yù)裂爆破。此技術(shù)通過組合聚能管與炸藥，結(jié)合切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)改變聚能方向，確保預(yù)裂爆破和頂板預(yù)裂兩者的方向相同，爆破后形成的能量可以順著聚能方向運(yùn)移，形成聚能效應(yīng)，同時(shí)形成的張應(yīng)力作用在聚能方向的頂板巖層，沿著聚能方向貫穿整個(gè)預(yù)裂炮孔，從而形成預(yù)裂切縫面。采用特制的定向聚能爆破管作為雙向聚能裝置，爆破管及爆破使用的炸藥具體參數(shù)見表2.

表2 爆破管及炸藥參數(shù)

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

5.1 切頂卸壓效果

為了得到合理的炸藥布置順序、炸藥量及封孔長(zhǎng)度，在工作面進(jìn)行聚能爆破切頂卸壓之前，首先開展單孔爆破試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)原位單孔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)爆破孔安設(shè)9卷炸藥時(shí)效果最理想，鉆孔封孔長(zhǎng)度以及藥卷安裝順序如圖5所示。采用正向起爆方式，藥卷通過導(dǎo)爆索和雙電雷管引爆，相鄰爆破孔之間距離為1 000 mm.

圖5 藥卷安裝順序和封孔長(zhǎng)度(mm)

通過雙向聚能爆破技術(shù)預(yù)裂爆破頂板后，針對(duì)鉆孔內(nèi)部裂縫發(fā)育情況借助鉆孔窺視儀進(jìn)行觀測(cè)，鉆孔裂隙發(fā)育情況如圖6所示。

由圖6發(fā)現(xiàn)，處于鉆孔內(nèi)不同深度處存在2條較明顯的裂縫，說明實(shí)施雙向聚能爆破技術(shù)具有良好的切頂卸壓效果。

圖6 切頂卸壓效果

5.2 沿空留巷效果

實(shí)施柔模墻支護(hù)技術(shù)后，成巷效果如圖7所示。

圖7 沿空留巷后的支護(hù)效果

從圖7得到，頂板呈現(xiàn)出良好的支護(hù)狀態(tài)，不存在發(fā)生冒頂問題，具有良好的留巷效果。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)頂板離層量和圍巖變形量來研究沿空留巷效果，在工作面前方20 m處，布置頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在5 m深度安設(shè)淺部基點(diǎn)，在10 m深度安設(shè)深部基點(diǎn)，達(dá)到觀測(cè)不同深度頂板的離層發(fā)育狀況；在沿空留巷初始地點(diǎn)布置圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，借助十字交叉法監(jiān)測(cè)工作面開采一段距離之后的沿空留巷圍巖變形量。

圖8為頂板離層量隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與工作面距離之間的變化曲線。從圖8發(fā)現(xiàn)：①?gòu)某肮ぷ髅?1 m開始，淺部基點(diǎn)的離層量處于平穩(wěn)狀態(tài)，離層量穩(wěn)定在8 mm；②從超前工作面13 m到滯后工作面16 m，深部基點(diǎn)的離層量呈現(xiàn)出明顯增大趨勢(shì)，共計(jì)升高15 mm；在滯后工作面16～40 m區(qū)域，離層量發(fā)生緩慢升高，累計(jì)增大4 mm；在滯后工作面40 m后離層量逐漸達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，不再增大，最大離層量為20 mm.

圖8 頂板離層量

圖9為圍巖變形量隨著工作面不斷回采的變化曲線，從圖9發(fā)現(xiàn)：①頂?shù)装逡平孔畲笾禐?43 mm，頂板下沉量最大值為52 mm，占頂?shù)装逡平康?2%，巷道底鼓量最大值為381 mm，所以底鼓是導(dǎo)致頂?shù)装遄冃蔚闹饕?②巷道煤幫移近量最大值為378 mm，柔模墻移近量最大值為103 mm，所以煤幫變形是導(dǎo)致兩幫變形的主要原因;③圍巖變形量處于滯后工作面0～85 m階段時(shí)開始快速升高；圍巖變形量處于滯后工作面超過85 m后，逐漸保持平穩(wěn)，不再增大，頂?shù)装逡平繛?29 mm、兩幫移近量為486 mm，巷道形變量不大，基本達(dá)到下一個(gè)工作面的生產(chǎn)要求。

圖9 圍巖變形量

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 結(jié)合官地礦12607綜采工作面煤層賦存情況，選擇沿空留巷方案為預(yù)裂爆破切頂卸壓、柔模墻支護(hù)，完成留巷后發(fā)現(xiàn)頂板應(yīng)力大幅度下降，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)力支護(hù)頂板的目的。

2) 在超前工作面實(shí)施雙向聚能爆破技術(shù)后，有效對(duì)沿空留巷頂板進(jìn)行切頂卸壓，處于鉆孔內(nèi)不同深度處存在2條裂縫發(fā)育較突出，證明預(yù)裂爆破可發(fā)揮出良好的切頂卸壓效果。

3) 通過分析頂板離層量及圍巖變形量曲線，發(fā)現(xiàn)頂板深部基點(diǎn)和淺部基點(diǎn)的最大離層量分別為20 mm和8 mm，說明在頂板深部或是淺部所產(chǎn)生的離層量都比較小，支護(hù)效果良好；當(dāng)滯后工作面大于85 m后，圍巖變形逐漸保持穩(wěn)定，此時(shí)兩幫移近量保持在486 mm，頂?shù)装逡平勘３衷?29 mm，巷道圍巖變形處于安全生產(chǎn)要求允許區(qū)間內(nèi)，發(fā)揮了良好的留巷效果。