閆晉峰,陳憲偉,王慧武,羅厚林,張武濤

(1.潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 常村煤礦,山西 長治 046100;2.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046600;3.陜西開拓建筑科技有限公司,陜西 西安 710054)

隨著煤礦不斷開采,我國煤炭存量越來越少,傳統(tǒng)的留設(shè)保護(hù)煤柱造成的煤炭回收率低、資源浪費(fèi)問題日益突出。沿空留巷具有以下優(yōu)勢:①回收煤柱,延長礦井服務(wù)年限;②降低巷道掘進(jìn)率,減少空頂作業(yè),降低冒頂、片幫幾率,提高礦井安全生產(chǎn)水平;③改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1-3]。目前沿空留巷技術(shù)在我國進(jìn)行了廣泛應(yīng)用,取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。由于各礦井地質(zhì)條件不同,導(dǎo)致沿空留巷巷道圍巖變形各不相同,在埋深較深的礦井,底鼓和幫鼓問題突出,嚴(yán)重影響留巷巷道二次復(fù)用。因此,急需解決巷道底鼓和幫鼓問題,以滿足沿空留巷技術(shù)在深埋深礦井地質(zhì)條件下的進(jìn)一步實施和推廣。

20世紀(jì)90年代初,國內(nèi)外煤礦生產(chǎn)中主要采用棚式支護(hù),隨著開采復(fù)雜度和困難的加大,棚式支護(hù)被更有優(yōu)勢的新支護(hù)方式取代。個別大巷以及特殊硐室加固需要,砌碹支護(hù)逐漸被各大礦井所使用,由于其屬于被動支護(hù),且施工效率底,勞動強(qiáng)度大,現(xiàn)階段使用較少。目前礦井普遍使用的是錨桿支護(hù)形式,該支護(hù)屬于主動支護(hù),圍巖控制效果較好,已被廣泛用于煤礦生產(chǎn)支護(hù)和巷道加固。由于單一錨桿支護(hù)形式很難保證圍巖穩(wěn)定性,根據(jù)各種材料性能、使用等特點(diǎn),為滿足不同條件下巷道圍巖穩(wěn)定要求,聯(lián)合支護(hù)形式更好起到支護(hù)效果[4],本文主要是聯(lián)合支護(hù)加固底板和煤幫,達(dá)到控制沿空留巷巷道底鼓和幫鼓的目的。

本文以余吾煤業(yè)N1100綜放工作面回風(fēng)巷柔?；炷裂乜樟粝餅楣こ瘫尘斑M(jìn)行研究,提出底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)措施,并進(jìn)行理論論證與現(xiàn)場工業(yè)性實踐。

1 工程條件

N1100綜放工作面為余吾煤業(yè)第二個采用沿空留巷的工作面,井下位置:巷道南接西翼膠帶大巷;北側(cè)為實體煤;西面為實體煤;東面為N1100工作面。地面標(biāo)高:+982～+1 084 m;底板標(biāo)高:巷道最高點(diǎn)位于巷道開口處,標(biāo)高+457 m(底板);最低點(diǎn)位于1 599 m處,標(biāo)高為+400 m(底板)。最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高差為57 m;埋藏深度:+531～+545 m.回采3號煤層,煤層平均厚度6.2 m.直接底:砂質(zhì)泥巖,厚度3.1 m,灰黑色,塊狀,斷口較平坦,含植物化石。老底:細(xì)粒砂巖,厚度13.04 m,灰色,中厚層狀,長石、石英為主,暗色礦物少量,含白云母碎片,垂直裂隙發(fā)育。工作面采用走向長壁、后退式低位放頂煤全部垮落式綜合機(jī)械化采煤法。實行跟班干部負(fù)責(zé)制管理,“三八制”作業(yè),2個班生產(chǎn),1個班檢修,循環(huán)進(jìn)度0.8 m,平均推進(jìn)度3.2 m.工作面切眼斜長332 m,煤層平均厚度6.2 m,工作面采高(3.2±0.1)m,頂煤平均厚度2.4 m,割煤回收率為98%,放煤回收率為93%,一采一放為一個循環(huán)。

工作面回風(fēng)巷為矩形斷面,沿3號煤層底板留頂煤進(jìn)行掘進(jìn),一次性掘進(jìn)大斷面寬5.4 m、高3.8 m,斷面面積20.52 m2,采用錨桿(索)金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)。頂板每排7根錨桿,間排距830 mm×900 mm,左、右肩角錨桿均與垂直成20°外斜布置,距巷幫均為210 mm,其他錨桿全部垂直頂板布置;錨索間排距1 660 mm×900 mm,沿巷道前進(jìn)方向按3-2-3布置,全部垂直頂板煤巖面打設(shè)。兩幫各5根錨桿,間排距850 mm×900 mm,幫上部錨桿上斜10°布置,距頂200 mm,幫下部錨桿下斜5°布置,距底200 mm.

沿空留巷總長度1 073 m,巷道頂煤厚度2.4 m.生產(chǎn)班架前鋪網(wǎng)、單元支架圍護(hù)采空區(qū)、待澆筑空間“一梁兩柱”臨時支護(hù),檢修班在單元支架的圍護(hù)下完成掛模、注模工作。柔?；炷翂w厚度1 500 mm,留巷寬度3 900 mm.

2 底板加固技術(shù)

結(jié)合N1100綜放工作面回風(fēng)巷地質(zhì)條件以及頂板錨網(wǎng)索理論基礎(chǔ)提出錨索+工字鋼梁+鋼筋網(wǎng)片+混凝土組合加固底板方案[5-7]。

2.1 底板加固參數(shù)設(shè)計

參考頂板錨網(wǎng)索支護(hù)理論,類比法引用到底板加固技術(shù)中。加固技術(shù)總體思路:在超前工作面留巷區(qū)域的底板(底煤)上利用錨索、工字鋼、鋼筋網(wǎng)片以及混凝土組合支護(hù),鉆孔深入底板堅硬巖層1 500 mm,先錨固好錨索,然后依次穿入工字鋼、鋼筋網(wǎng)片,最后澆筑混凝土,與巷道底板形成整體,增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度。參數(shù)設(shè)計如下:

1) 鉆孔參數(shù)設(shè)計。根據(jù)工程條件介紹,留巷巷道直接底為3.1 m的砂質(zhì)泥巖,老底為13.04 m的細(xì)粒砂巖,為堅硬巖層,錨固端需在堅硬巖層。錨索總長度L包括外露長度0.8 m,直接底均厚3.1 m,錨入老底1.5 m較穩(wěn)定細(xì)粒砂巖中。最終確定:N1100回風(fēng)巷的底板加固錨索支護(hù)總長度L≥5.4 m時,才能達(dá)到有效主動支護(hù)的目的。鉆孔直徑:28 mm,深度5 400 mm,錨固長度1 500 mm.

2) 錨索參數(shù)設(shè)計。錨索形式和規(guī)格:鎖體為D22 mm、1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長度5 400 mm;錨固方式:采用3支K2350低粘度快速樹脂錨固藥卷錨固,錨固長度為1 500 mm;錨索布置:錨索沿巷道前進(jìn)方向按4-4-4布置,排距1 000 mm,間距1 200 mm;錨索預(yù)緊力:250 kN,初次漲拉實現(xiàn)超漲拉,漲拉至300 kN;錨固力要求達(dá)到600 kN;錨索角度:全部垂直底板巖面打設(shè);錨索配件:錨索托盤為300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)度蝶形托盤,配套高強(qiáng)度可調(diào)心球墊、鎖具。

3) 工字鋼參數(shù)設(shè)計。采用11號礦用工字鋼,長度3 700 mm,每根工字鋼打4個孔,孔直徑24 mm,兩端距離50 mm開始打孔,間距1 200 mm.

4) 鋼筋網(wǎng)片參數(shù)設(shè)計。采用D6.5 mm鋼筋編制網(wǎng)片,網(wǎng)格50 mm×50 mm,3 900 mm×1 000 mm(長×寬)。

5) 混凝土參數(shù)設(shè)計。采用與澆筑柔模相同標(biāo)號的混凝土C50,混凝土澆筑厚度200 mm.底板加固支護(hù)施工平剖面如圖1、圖2所示。

圖1 底板加固斷面(單位:mm)

圖2 底板加固平面(單位:mm)

2.2 底板加固技術(shù)施工流程

底板加固技術(shù)的施工流程為:①將工字鋼對應(yīng)穿錨索位置打孔;②通過鉆機(jī)打孔將錨索錨固到底板堅硬巖層;③把打好孔的工字鋼穿到錨索上,再鋪上1層D6.5 mm鋼筋網(wǎng)上托盤施加預(yù)緊力;④打設(shè)200 mm厚C50混凝土。

3 留巷巷道煤幫加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計

為解決N1100工作面留巷巷道煤幫幫鼓量較大的情況,特提出N1100工作面留巷巷道煤幫加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計,減少煤幫幫鼓量。

3.1 煤幫極限平衡區(qū)計算

根據(jù)回采巷道煤體荷載傳遞機(jī)理及其極限平衡區(qū)的理論研究可知[8-10]:巷道開挖后,兩幫煤體應(yīng)力重新分布。在無支護(hù)的情況下,由煤體邊緣向里依次形成煤幫破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。其中,煤幫破裂區(qū)和塑性區(qū)的煤體處于應(yīng)力極限平衡狀態(tài)。由于煤體的泊松比較頂?shù)装鍘r石大,煤層與頂?shù)装鍘r石界面上的粘聚力C0和內(nèi)摩擦角φ0較兩幫煤體的偏低,極限平衡區(qū)的煤體趨于從頂?shù)装鍘r石中擠出,當(dāng)煤體從頂?shù)装鍘r層間擠出時,煤層界面應(yīng)力應(yīng)該滿足應(yīng)力極限平衡條件:

式中:x0為應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度;C0、φ0分別為煤層與頂?shù)装褰唤缑娴恼尘哿蛢?nèi)摩擦角,取0.4 MPa、37°;Px為錨桿對煤幫的支護(hù)強(qiáng)度,取229.9 kN/m2;A為側(cè)壓系數(shù),取0.4;M為有效采高,取6.1 m;γ為上覆巖層平均容重,取25 kN/m3;k為應(yīng)力集中系數(shù),取2;H為開采深度,取533 m.

通過計算得出,應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度為4.8 m,煤幫錨桿長2.4 m,處于破碎區(qū)域,支護(hù)無效,因此需要對煤幫進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),防止N1100工作面留巷巷道煤幫出現(xiàn)幫鼓量大的現(xiàn)象。

3.2 巷幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

由3.1節(jié)計算出的極限應(yīng)力平衡區(qū)寬度為4.8 m,煤幫補(bǔ)打錨索長度不小于4.8 m才能保證支護(hù)有效,考慮到錨索錨固長度和外露長度,確定補(bǔ)打錨索長度為6 m.具體錨索打設(shè)方案如下:

1) 當(dāng)巷高不超過4 m,在煤幫中上部補(bǔ)打1根錨索,錨索直徑為22 mm,長度6 000 mm,具體打設(shè)如圖3所示。

圖3 巷高小于4 m時補(bǔ)打錨索橫斷面(單位:mm)

2) 當(dāng)巷高大于4 m小于5 m時,錨索布置方式為“二一二一”,錨索直徑為22 mm,長度6 000 mm,具體打設(shè)如圖4所示。

圖4 巷高大于4 m小于5 m時補(bǔ)打錨索橫斷面(單位:mm)

4 效果考察

N1100工作面回風(fēng)巷留巷全長約1 073 m,超前切眼300 m內(nèi)未采取底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)措施,300～1 073 m嚴(yán)格按照底板加固技術(shù)方案和煤幫補(bǔ)強(qiáng)措施進(jìn)行支護(hù),在兩段分別進(jìn)行了沿空巷道位移收斂變形監(jiān)測,1號測點(diǎn)是未進(jìn)行底板加固和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)(距切眼300 m)、2號測點(diǎn)是已經(jīng)嚴(yán)格按照底板加固和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行施工(距切眼700 m),圍巖收斂數(shù)據(jù)統(tǒng)計見圖5、圖6.

圖5 1號測點(diǎn)圍巖收斂變形監(jiān)測

圖6 2號測點(diǎn)圍巖收斂變形監(jiān)測

通過圍巖收斂變形監(jiān)測對比得出:初期在沒有進(jìn)行底板加固和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的范圍內(nèi),圍巖收斂變形主要表現(xiàn)為底鼓,幫鼓次之,底鼓量達(dá)到1 206 mm,幫鼓量達(dá)到846 mm,其他兩項變化量在可控范圍內(nèi);后階段通過底板加固和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),底鼓量控制在280 mm范圍內(nèi),幫鼓量控制在120 mm左右,完全滿足巷道后期復(fù)用要求。實踐證明,余吾煤業(yè)N1100工作面采用底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)措施技術(shù)設(shè)計參數(shù)合理,達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 語

1) 余吾煤業(yè)N1100工作面回風(fēng)巷300～1 073 m段實施底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施,通過設(shè)置圍巖變形監(jiān)測點(diǎn),收集并分析圍巖監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,采用底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施后,沿空留巷巷道圍巖變形均有所改善,最多可減少變形量77%,表明底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施能有效控制圍巖變形。

2) 底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施作為改善沿空巷道圍巖變形輔助手段,根據(jù)沿空留巷工作面地質(zhì)條件以及來壓情況確定合理的技術(shù)參數(shù),并嚴(yán)格按照技術(shù)參數(shù)施工,確保留巷巷道變形在可控范圍內(nèi),為下個工作面開采復(fù)用提供保障。同時可以為其他類似條件礦井減少沿空留巷巷道變形提供充分的技術(shù)支持。