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        淺埋中厚煤層堅硬頂板沿空留巷切頂及支護技術(shù)研究

        2023-10-19 10:34:24王冠虎
        山東煤炭科技 2023年9期
        關(guān)鍵詞:空留巷炮孔膠帶

        王冠虎

        (山西汾西礦業(yè)集團鑫順煤業(yè),山西 晉中 032600)

        1 工程概況

        山煤國際鑫順煤業(yè)4101 綜采工作面蓋山厚度90~120 m,工作面位置位于4102 膠帶順槽以東,軌道下山以北,開采的4#煤厚度1.2~1.8 m,平均1.53 m。4101 工作面走向長535 m,傾斜長150 m,工作面煤層為一單斜構(gòu)造,地質(zhì)構(gòu)造較簡單。4101 綜采工作面推廣使用“沿空留巷”技術(shù),4101 膠帶順槽按照“沿空留巷”設(shè)計布置。如圖1。

        圖1 工作面采掘工程平面圖

        2 沿空留巷巷旁充填支護設(shè)計

        4101 膠帶順槽采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護方式,巷道凈寬5.5 m、凈高1.7 m,設(shè)計沿空留巷寬度4.0 m。4101 工作面膠帶順槽沿空留巷采用高水材料凈漿充填,水灰比1.5:1。根據(jù)4101 工作面膠帶順槽頂板巖層情況和以往的工程實踐[1],初步設(shè)計確定巷旁支護體寬度為1.5 m,4101 工作面平均每天回采6 m,每天充填兩個充填體,每個充填體尺寸為:3 m×1.5 m×1.7 m(長×寬×高),一個充填體需要高水材料4.5 t。充填體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)。采用對拉錨桿進行充填體的加固,對拉錨桿采用Ф20 mm 的螺紋鋼材料制作,間排距為600 mm×800 mm,采用Ф14 圓鋼焊制的鋼筋梯子梁,鋼筋網(wǎng)要求使用Ф6.5 mm 的鋼筋加工。對拉錨桿、鋼筋梯子梁加工尺寸如圖2(b)。

        圖2 巷旁充填體加固工藝示意圖(mm)

        4101 綜采工作面機頭支架拉架后,待充填區(qū)域頂板需要進行臨時支護。如果頂板較完整、穩(wěn)定,可在排頭架前鋪網(wǎng),架后單體臨時支護,其中鋪網(wǎng)范圍為膠帶順槽邊緣向采空區(qū)5 m 范圍,排頭架后單體液壓支柱間排距800 mm×1000 mm,每排4 根。如果拉架后頂板較破碎,需在架前順槽邊緣向采空區(qū)5 m 范圍內(nèi)鋪網(wǎng),并在拉架前緊跟支架補打錨桿進行及時支護,頂板錨桿Ф20 mm、長1600 mm,間排距800 mm×900 mm,單體液壓支柱間排距800 mm×1000 mm,每排4 根。

        3 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)的確定

        為減小充填體上部頂板壓力,改善沿空巷道應(yīng)力狀態(tài),在4101 工作面回采前,在膠帶順槽靠煤壁側(cè)預先施工鉆孔并進行聚能爆破預裂頂板,工作面回采后頂板將在預裂位置斷裂,使得充填體及巷道處于應(yīng)力較小的環(huán)境中。影響預裂效果的主要參數(shù)為裝藥量、鉆孔深度、傾角、封孔長度、間距等,參照相似地質(zhì)條件下相應(yīng)研究成果[2-3],設(shè)計采用Ф35 mm、長度200 mm 的乳化炸藥,采用毫秒延期雷管進行引爆。根據(jù)工作面頂板巖層巖性及厚度,確定切頂?shù)哪繕藢游粸榧毶皫r直接頂和基本頂,兩組巖層的平均厚度為10.73 m。為保障切落頂板的順利垮落,設(shè)計炮孔打設(shè)角度為仰角70°,由此確定鉆孔深度為11.5 m,炮孔直徑38 mm。根據(jù)一般情況考慮,封孔長度應(yīng)為鉆孔總長度的0.25~0.3,初步設(shè)計封孔長度為4.0 m,裝藥長度為7.5 m,采用連續(xù)裝藥方式,正向裝藥結(jié)構(gòu),每個鉆孔需要17卷乳化炸藥。結(jié)合炮孔參數(shù)選擇與其匹配的D 型聚能管,管徑28 mm,單節(jié)長度1.5 m。

        爆破鉆孔的布置間距對于切頂卸壓效果非常關(guān)鍵[4]。為確定最為合理的爆破鉆孔布置間距,設(shè)計在4101 膠帶順槽進行爆破試驗,設(shè)計鉆孔布置間距為500 mm、600 mm、700 mm,每個方案需施工9 個鉆孔,其中5 個爆破孔,1#、3#、5#、7#、9#鉆孔。試驗鉆孔布置方案如圖3。

        圖3 爆破鉆孔試驗方案示意圖

        爆破試驗實施地點為4101 膠帶順槽距離開切眼40 m 處,方案的執(zhí)行順序為炮孔間距L=700 mm、L=600 mm、L=500 mm,每個方案中的5 個鉆孔同時一次性起爆,通過鉆孔窺視的方法觀測圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育情況。爆破孔及空孔裂隙發(fā)育情況如圖4。

        圖4 窺視結(jié)果中所示長度為窺視圖像距孔口距離。分析可知,炮孔間距為700 mm 時,在孔深7.51 m 處出現(xiàn)兩條對稱的縱向裂隙,其余深度爆破孔及導向孔巖壁完整性較好,裂隙基本不發(fā)育,爆破效果不是很理想;炮孔間距為600 mm、500 mm時,爆破孔及導向孔全孔深范圍內(nèi)出現(xiàn)較多的縱向裂隙,裂隙基本均沿鉆孔橫向布置方向且基本呈對稱分布,除裂隙發(fā)育的部分外,巖體完整性較好??傮w而言,定向聚能爆破效果良好,可在鉆孔間形成連續(xù)的裂隙弱面,說明爆破孔布置間距為500 mm、600 mm 條件下爆破效果較理想??紤]施工進度及經(jīng)濟效益,確定最佳炮孔間距為600 mm。爆破孔布置詳見圖5。

        圖5 4101 膠帶順槽切頂鉆孔布置示意圖(m)

        4 應(yīng)用效果

        4101 膠帶順槽采用上述支護及切頂措施留巷期間,間隔50 m 設(shè)置礦壓監(jiān)測站,以距開切眼200 m 處測點為例,收集整理此處測點數(shù)據(jù),得到圍巖變形情況如圖6。分析可知,超前回采工作面0~30 m 期間,巷道表面開始出現(xiàn)輕微的變形,圍巖整體穩(wěn)定;滯后工作面0~110 m 期間,頂?shù)装遄冃瘟靠焖僭龃?,而兩幫的變形一直持續(xù)至滯后回采工作面200 m,在此期間采空區(qū)頂板劇烈運動,導致巷道內(nèi)礦壓顯現(xiàn)明顯;滯后工作面110~250 m 期間,頂?shù)装遄冃瘟炕颈3址€(wěn)定,頂板下沉量穩(wěn)定在460 mm,底板底鼓量穩(wěn)定在50 mm;滯后工作面200~250 m 期間,兩幫變形量基本保持穩(wěn)定,實體煤幫及墻體側(cè)內(nèi)移量均保持在60 mm 以下??傮w而言,巷道表面變形量屬正常,沿空留巷圍巖整體收斂變形保持在較低水平,達到較好的留巷支護效果。

        圖6 留巷期間圍巖變形曲線

        5 結(jié)語

        以鑫順煤業(yè)4101 工作面開采為工程背景,對4101 膠帶順槽巷旁充填關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)計,確定充填體尺寸長、寬、高為3.0 m、1.5 m、1.7 m,高水材料水灰比1.5。借助理論分析計算、工程經(jīng)驗確定爆破預裂切頂卸壓鉆孔深度、封孔深度、裝藥量等主要參數(shù),設(shè)計現(xiàn)場試驗并通過鉆孔窺視分析爆破效果,最終確定炮孔最佳間距為600 mm。礦壓監(jiān)測表明,留巷期間頂?shù)装逡平勘3衷?00 mm以下,兩幫移近量保持在120 mm 以下,巷道表面圍巖變形屬于正常礦壓顯現(xiàn),留巷效果較理想,所設(shè)計巷旁支護及切頂方案合理有效。

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