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        18403 工作面沿空留巷無(wú)煤柱開采技術(shù)及應(yīng)用研究

        2023-10-19 10:34:22
        山東煤炭科技 2023年9期
        關(guān)鍵詞:切頂煤壁支柱

        吳 珊

        (山西焦煤西山煤電屯蘭礦,山西 太原 030206)

        1 概況

        屯蘭礦18403 采煤工作面回采長(zhǎng)度474 m,開采的8#煤層厚度1.2~3.5 m/3.09 m,煤層埋深300 m,傾角約5°~8°。8#煤層基本無(wú)直接頂(局部發(fā)育泥巖直接頂)及偽頂,煤層基本頂厚度平均為3.10 m,L1 石灰?guī)r巖性;煤層底板厚度平均為4.50 m,巖性為砂質(zhì)泥巖和泥巖,局部為細(xì)砂巖及粉砂巖。為增加煤炭資源回收率,減少巷道掘進(jìn)工程量,在18403 運(yùn)輸順槽采用沿空留巷[1],順槽巷道設(shè)計(jì)尺寸是5.5 m×3.6 m 矩形斷面,錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。

        2 沿空留巷設(shè)計(jì)

        巷道護(hù)幫運(yùn)用錨桿掛菱形金屬網(wǎng)方式支護(hù),頂板運(yùn)用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。頂板錨桿使用直徑22 mm、長(zhǎng)度2.5 m 的MG500 型左旋無(wú)縱筋螺紋鋼,頂鋼帶使用長(zhǎng)、寬、厚分別為4.8 m、0.25 m、3 mm 的W 型6 眼鋼帶,排距為1 m,眼距為0.9 m,加8#金屬菱型網(wǎng)支護(hù)巷道頂板;頂錨索三三布置,采用直徑21.8 mm、長(zhǎng)度7.3 m 的鋼絞線,間距1.6 m,排距3 m;護(hù)幫錨桿使用直徑20 mm、長(zhǎng)度2 m的MG400 型左旋無(wú)縱筋螺紋鋼,間距排距均為1 m,并掛10#金屬菱型網(wǎng)護(hù)幫。支護(hù)示意圖如圖1。

        圖1 巷道支護(hù)斷面圖(mm)

        2.1 補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

        為確保周期來(lái)壓及切頂期間巷道穩(wěn)固,在切頂前對(duì)巷道頂板使用補(bǔ)強(qiáng)錨索再加固。補(bǔ)強(qiáng)錨索的選擇比切頂深度長(zhǎng)1.5~2.5 m,用最大采高3 m 來(lái)計(jì)算,基本切頂高度7.8 m,補(bǔ)強(qiáng)錨索長(zhǎng)度選擇10.3 m。補(bǔ)強(qiáng)錨索與頂板垂直,在原支護(hù)的方案上增設(shè)兩排,采用錯(cuò)位的布置方式[2]。其中,第1 排補(bǔ)強(qiáng)錨索布置間距為1.5 m,距煤壁幫0.45 m;第2 排間距3 m,距煤壁幫1.45 m,補(bǔ)打錨索與原錨索之間的距離為1.5 m。切頂側(cè)補(bǔ)強(qiáng)錨索與預(yù)裂切頂面之間的距離宜選擇0.3 m,誤差50 mm??拷罕趥?cè)的首排錨索每3 根之間使用3.4 m 長(zhǎng)的鋼帶連接,緊挨的兩條鋼帶搭接0.4 m。補(bǔ)強(qiáng)錨索設(shè)計(jì)預(yù)緊力≥290 kN,錨固力520 kN,錨固段長(zhǎng)度≥1.2 m。

        2.2 預(yù)裂切頂設(shè)計(jì)

        頂板預(yù)裂切頂?shù)幕咀饔檬鞘共煽諈^(qū)被頂板掉落矸石填充,對(duì)上覆巖層起到支撐作用,降低它的回轉(zhuǎn)變形,達(dá)到穩(wěn)定沿空留巷的目的;此外,還能夠使基本頂巖梁被切斷,降低巷道上部頂板受到采空區(qū)頂板的“拉拽”作用[3]。18403 采面煤厚3.1 m,采空區(qū)頂板冒落巖層碎脹系數(shù)選擇1.3,底板移近量0.2 m,算出預(yù)裂切頂孔深度≥9.5 m。考慮到實(shí)地工況,確認(rèn)切頂垂直深度9.7 m,鉆孔深度10 m。

        18403 采面煤層頂板為石灰?guī)r,為堅(jiān)硬頂板,為了確保爆破預(yù)裂切頂效果,設(shè)計(jì)預(yù)裂切頂孔之間的距離為0.5 m。為了確保留巷效果,需要對(duì)開采面運(yùn)輸順槽以及切眼部分進(jìn)行切頂。切眼外幫頂板在初采時(shí)進(jìn)行切頂鉆孔,切頂區(qū)域是距離18403 運(yùn)輸順槽50 m 的范圍內(nèi),鉆孔的方向與頂板垂直,切頂線間距1 m,與外幫煤壁之間距離0.5 m,切頂孔深度10 m,切頂孔半徑26 mm;運(yùn)輸順槽鉆孔與開采面幫之間的距離為0.2 m,沿著巷道頂板走向方向分布1 排,間距為0.5 mm,預(yù)裂切頂鉆孔和豎直方向的夾角(偏向采空區(qū)方向)是15°。

        頂板定向預(yù)裂爆破單個(gè)藥卷選擇直徑為35 mm,長(zhǎng)度0.3 m;管長(zhǎng)1.5 m,內(nèi)徑36.5 mm,外徑42 mm,BTC-1500 型聚能管;設(shè)置裝藥結(jié)構(gòu)為5+4+3+3+1的四根半聚能管,封孔長(zhǎng)度選擇2.4~2.9 m。

        2.3 擋矸支護(hù)設(shè)計(jì)

        在架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)域,在液壓支架切頂線后290 m 范圍內(nèi),采用“單體液壓支柱+金屬網(wǎng)+29U型鋼”加強(qiáng)支護(hù)。其中29U 型鋼之間的距離以及擋矸側(cè)單體液壓支柱之間的距離都是0.5 m,分組布置,29U 型鋼和采空區(qū)中間鋪設(shè)金屬網(wǎng)。

        當(dāng)巷道受采動(dòng)影響不大、單體支柱壓力和頂板下沉量變化不大的時(shí)候,確認(rèn)該區(qū)域已經(jīng)處于穩(wěn)固情形時(shí),可以把臨時(shí)支護(hù)單體液壓支柱拆除,僅留下菱形金屬網(wǎng)+29U 型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)[4]。

        2.4 臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

        1)超前支護(hù)區(qū)

        采面超前30 m,使用“3 梁3 柱”的方式支護(hù),排距1 m,第1 排單體液壓支柱距煤壁下幫0.6 m,第2 排距離第1 排1 m,第3 排距開采面煤壁0.6 m。工作面頭巷(實(shí)煤段)超前支護(hù)示意圖如圖2。

        圖2 工作面頭巷(實(shí)煤段)超前支護(hù)示意圖(mm)

        采面前10 m 區(qū)間使用“1 梁6 柱”的方式支護(hù),距開采面10~50 m 區(qū)域內(nèi)使用“1 梁4 柱”的方式支護(hù),單體液壓支柱之間的距離依據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。單體液壓支柱配合4 mπ 型頂梁,沿著巷道走向方向分布。在π 型頂梁之間設(shè)置單體液壓支柱,柱間距離1 m,采用0.8 mπ 型頂梁和防倒措施。工作面頭巷(沿空段)超前支護(hù)示意圖如圖3。

        圖3 工作面頭巷(沿空段)超前支護(hù)示意圖(mm)

        2)架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)

        在采面推進(jìn)中,受動(dòng)壓影響,架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)使用“4 梁4 柱”方式支護(hù),排距為1 m。第1 排與切頂線之間的距離為1.1 m,采用0.8 mπ 型頂梁,沿巷道走向分布;第2 排與第1 排的距離為0.8 m,第3 排與第2 排的距離為0.9 m,第4 排與第3 排的距離為1.7 m,與另一側(cè)煤壁距離為0.7 m,采用0.8 mπ 型頂梁,垂直巷道走向分布,均配防倒措施;架后臨時(shí)支護(hù)距離為290 m。沿空留巷架后臨時(shí)支護(hù)及擋矸支護(hù)示意圖如圖4。

        圖4 沿空留巷擋矸支護(hù)、架后臨時(shí)支護(hù)示意圖(mm)

        3)成巷穩(wěn)定區(qū)

        在回采期間依據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)的結(jié)果和留巷段頂板狀況確定臨時(shí)支護(hù)的回撤距離和時(shí)間,成巷穩(wěn)定區(qū)為液壓支架切頂線290 m 之后,這一區(qū)域中單體液壓支柱均全部回撤。

        3 效果分析

        3.1 留巷效果分析

        在運(yùn)輸順槽留巷初始200 m 范圍設(shè)置10 個(gè)測(cè)量點(diǎn),測(cè)量點(diǎn)之間的間隔為20 m,之后測(cè)量點(diǎn)間隔調(diào)整為80 m,測(cè)量留巷表面位移、錨索受力變形、頂板離層、擋矸橫向壓力和單體柱受力壓縮量。

        1)巷道頂板離層和表面位移

        經(jīng)測(cè)量,在開采面前方大概35 m 處巷道圍巖變形變大,在開采面后方25 m 變形急增,到開采面后方大概120 m,巷道表面位移增加變緩,180 m后變形穩(wěn)定。巷道表面位移和頂板離層變化趨勢(shì)大致相同,離層最大值88 mm。

        2)錨索受力變形量

        在開采面后方20 m,補(bǔ)強(qiáng)錨索受到的拉力激增,隨后逐漸平穩(wěn),受力最大值為3.5×105N。此外,錨索恒阻器發(fā)生變形,變形量最大為82 mm。

        3)橫向擋矸壓力

        開采面后方30 m,橫向擋矸壓力增加,壓力極值約1 MPa。

        4)單體柱壓力及縮量

        錨索受力和單體柱壓力變化趨勢(shì)大體相同,單體柱下縮量最大值為95 mm。

        3.2 卸壓效果分析

        在與運(yùn)輸順槽距離50 m 的區(qū)間內(nèi),液壓支架每隔3 架設(shè)置1 個(gè)測(cè)量點(diǎn),共10 個(gè)。經(jīng)過(guò)測(cè)量,正?;夭蓵r(shí)期,未卸壓側(cè)支架壓力和開采面支架壓力區(qū)別不大,然而在周期來(lái)壓時(shí)期,支架壓力值相較未卸壓時(shí)有明顯的不同,為未卸壓的80%,表明預(yù)裂爆破實(shí)現(xiàn)了切頂卸壓的預(yù)期。

        3.3 經(jīng)濟(jì)效果分析

        目前屯蘭礦已經(jīng)在18403 采面運(yùn)用了無(wú)煤柱開采方案,煤炭資源回收率較原開采方案提升7%,累計(jì)多回收資源78 萬(wàn)t。無(wú)煤柱開采留巷成本為6650 元/m,若29U 擋桿支護(hù)回收,以回收率50%計(jì)算,回收效益為1478 元/m。

        4 結(jié)論

        1)結(jié)合18403 采面實(shí)際工況,研究了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、預(yù)裂切頂、擋矸支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的方案,完成了18403 采面運(yùn)輸順槽沿空留巷,提高生產(chǎn)效益。

        2)屯蘭礦運(yùn)用無(wú)煤柱開采技術(shù)方案,共計(jì)沿空留巷13.13 km,開采面留巷速度15 m/d,煤炭資源回收率大大提升,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

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