沿空留巷錨網(wǎng)索梁點支柱聯(lián)合支護(hù)的應(yīng)用研究

時志偉，馬智勇，于亞南

(河南義煤集團(tuán)耿村煤礦，河南 澠池 472431)

沿空留巷具有煤炭回收率高、回采工作面銜接合理、巷道掘進(jìn)率低、掘進(jìn)排矸少，對于緩解采掘緊張關(guān)系和實現(xiàn)礦井集約化生產(chǎn)具有顯著效果。沿空留巷從空間上使巷道處于開采后應(yīng)力重新分布的低應(yīng)力區(qū)，但從時間上無法避免采動支承應(yīng)力重新分布過程中的劇烈作用，巷道需要經(jīng)受兩次采動影響，礦壓顯現(xiàn)強烈，巷道維護(hù)難度大。因此，如何提高巷道圍巖自身的承載能力和合理的支護(hù)設(shè)計，以滿足巷道使用期間通風(fēng)、運輸、行人的需要，是留巷的關(guān)鍵。本研究以冀中能源股份有限公司章村煤礦2404運輸巷進(jìn)行了留巷實驗，對留巷的過程視為一個系統(tǒng)工程，從掘進(jìn)前的巷內(nèi)支護(hù)參數(shù)設(shè)計、巷道施工到留巷期間的巷旁支護(hù)方式與參數(shù)選擇，以及工作面回采期間的超前加強支護(hù)統(tǒng)籌考慮，保證了沿空留巷技術(shù)的成功實施。

1 工程概況

章村煤礦2404工作面是4224采區(qū)的首采面，北部為設(shè)計2402工作面，下部為設(shè)計2406工作面，東部以4224采區(qū)皮帶下山為界，西部以4224采區(qū)邊界線為界。本面地層總體為單一傾斜煤層，走向北東向，地層傾角 6°～20°，平均 13°左右。2#煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖復(fù)合頂板，硬度較低;煤層底板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，加有多層小煤。巷道斷面大小設(shè)計斷面為寬×高=4.0 m×2.3 m，由于斷面為梯形，上幫高約2.65 m，下幫高約1.95 m。

2 掘進(jìn)期間圍巖控制機理分析及支護(hù)形式

2.1 支護(hù)機理分析

當(dāng)不考慮采動影響時，采用公式(1)進(jìn)行巷道塑性區(qū)大小的計算，根據(jù)巖石力學(xué)試驗成果，得出沿空留巷參數(shù)表見表1。

表1 沿空留巷相關(guān)參數(shù)表

式中:

R＇—極限平衡區(qū)深入巖體中的深度，m;

R—極限平衡區(qū)半徑，m;

r0—巷道半徑，m。

k2—煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)。

根據(jù)公式(2)計算出極限平衡區(qū)深入巖體中的深度，確定2404工作面所在區(qū)域的圍巖為IV類一般不穩(wěn)定圍巖。并且對巷道的變形進(jìn)行了地質(zhì)和礦壓分析，決定采用錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)。這類支護(hù)不僅能對圍巖向巷道內(nèi)變形和移動產(chǎn)生一定的阻力，而且本身又具有某種程度的變形能力，以便使能量繼續(xù)得到一定程度的釋放。

2.2 錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)

頂板支護(hù):頂錨桿選用d22的高強度左旋螺紋鋼體制作，選用樹脂藥卷全長錨固，錨桿長度取2000 mm。頂板采用鋼筋梯子梁，鐵絲網(wǎng)，鋼質(zhì)托盤作為輔助支護(hù)。鋼筋梯子梁用d14鋼筋橫縱筋焊接而成，兩根縱筋長3800 mm，平行間距50 mm，橫筋平行焊接。鐵絲網(wǎng)為經(jīng)緯編織網(wǎng)，規(guī)格:長×寬=4.2 m×1.0 m，網(wǎng)片之間搭接100 mm，每隔300 mm用雙股12#鐵絲連接，鋪網(wǎng)時長邊垂直于巷道方向。托盤規(guī)格:長×寬×厚=120 mm×120 mm×10 mm。

巷幫支護(hù):幫錨桿選用直徑d18的普通桿體制作，選用樹脂藥卷端頭錨固。錨桿長度按擠壓加固作用形式設(shè)計。幫錨桿長度定為2.0 m。錨桿間距0.80 m。兩幫采用梯子梁和 120 mm×120 mm×10mm的鋼質(zhì)托盤。梯子梁采用d10 mm鋼筋橫筋與縱筋焊接而成，寬50 mm，長2.4 m，垂直于巷道方向布置。雙抗塑料網(wǎng)作幫網(wǎng)，寬1.2 m，長3 m，順巷道方向布置，網(wǎng)間搭接不小于0.15 m，用雙股12#鐵絲連接，連接間距不大于0.3 m。

3 回采期間加強支護(hù)

3.1 巷內(nèi)頂板永久加強支護(hù)

考慮一次采動影響時，采用公式(3)進(jìn)行巷道塑性區(qū)大小的計算，取采動影響系數(shù)，并代入表1的參數(shù)值，得工作面2404回采過程中巷道圍巖極限平衡區(qū)半徑為:

極限平衡區(qū)深入圍巖中的深度:

查巷道圍巖分類表可知，沿空留巷在受到2404工作面采動影響時，其巷道圍巖屬于Ⅴ類，屬于不穩(wěn)定圍巖。

從頂板載荷的粗略估算考慮，留巷巷道頂板載荷由直接頂垮落帶懸?guī)r重量與老頂裂隙巖梁的附加載荷組成。根據(jù)數(shù)值模擬分析－工程類比和理論計算－頂板載荷為直接頂載荷與老頂載荷之和－直接頂載荷為其本身的重量－老頂?shù)妮d荷以直接頂載荷的倍數(shù)來估算－則頂板載荷可按如下公式估算確定。

式中:

Q—頂板載荷集度;

M—采高，m;

γ—頂板巖石容重，kN/m3。

即沿空巷道的載荷與開采厚度成正比關(guān)系，頂板壓力相當(dāng)于采高的4～8倍巖柱重量。取M=1.5 m，γ =2500 kN/m3，則:

沿空留巷頂板懸梁載荷強度最大為0.3 MPa。

綜合回采期間極限平衡區(qū)深入圍巖的深度和對頂板載荷的粗略估算兩方面考慮，表明在回采期間，隨著采動的影響，礦壓明顯顯現(xiàn)，尤其在第二階段的巖層強烈沉降期，巷道變形嚴(yán)重，直接頂會整體下沉，塑性區(qū)深入圍巖中的深度達(dá)到了3.0 m，而先前采用的普通錨網(wǎng)支護(hù)時錨桿長度只有2.2 m，顯然不滿足安全要求。所以在這一階段，必須加強對巷道頂板的支護(hù)措施，采用錨索支護(hù)對巷道頂板進(jìn)行加強支護(hù)。

巷道永久加強支護(hù)采用錨索支護(hù)，在下巷超前支護(hù)前(超前工作面不小于25 m)，提前完成補打錨索工作。在上幫距原巷道中心線1.5 m處和巷道中心線處補打 2道錨索梁。錨索采用 d17.8mm，L8300 mm鋼絞線制作，長度8.3 m，錨索梁為16#槽鋼制作，順巷布置，間距2.4 m，排距1.5 m，每孔裝樹脂藥卷S2370一卷、Z2360兩卷。錨索安裝后1 h漲拉到設(shè)計預(yù)緊力(150 kN)。

3.2 巷道臨時性加強支護(hù)

由沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律可知，隨工作面推進(jìn)，工作面前后方支承壓力呈現(xiàn)規(guī)律性變化，超前工作前方40 m左右范圍內(nèi)支承壓力最大，工作面后方超過120 m范圍支承壓力逐漸減小，礦壓顯現(xiàn)最不明顯。鑒于此，在工作面前方需要進(jìn)行沿空巷道的加強支護(hù)，后方一定范圍內(nèi)可拆除部分支護(hù)。

超前工作面不小于20 m打自上幫起第一、第三排單體和鉸接梁，工作面機頭拉架后，按設(shè)計加打第二排單體和鉸接頂梁，并在上幫吊掛金屬網(wǎng)片，同時把巷內(nèi)積貨清理干凈。待留巷段壓力變小，變形趨緩時(大約在工作面推進(jìn)100 m)，先摘除第二排、第三排單體鉸接頂梁，外運待用。留巷穩(wěn)定后(大約在工作面推進(jìn)200 m時)，在留巷內(nèi)將單體鉸接梁全部摘除，及時拆下礦工鋼架棚支護(hù)，隨拆隨支，跟拆間距不大于1 m，及時形成二次支護(hù)結(jié)構(gòu)。摘除所有單體后，也可視巷道壓力情況將礦工鋼架棚改為點柱。先在上幫空區(qū)側(cè)按間距0.5 m加打紅松木柱，然后摘除第一排單體和鉸接頂梁，依次循環(huán)進(jìn)行。

4 巷旁支護(hù)

沿空巷道的煤幫一側(cè)相對穩(wěn)定，其支護(hù)較為簡單;而采空區(qū)一側(cè)的壓力情況相對復(fù)雜，需加強對支護(hù)設(shè)計的研究。應(yīng)用較多的巷旁支護(hù)形式有以下幾種:1)木垛;2)密集支柱;3)矸石帶;4)砌塊;5)巷旁充填帶。針對章村煤礦煤層無自燃，瓦斯含量小的特點。實現(xiàn)了無人工充填巷旁支護(hù)。

上工作面回采后，預(yù)留巷道一側(cè)的巷幫變?yōu)楣ぷ髅嬷苯禹數(shù)拿奥漤肥肥w被上覆巖層壓縮時，矸石體除自重產(chǎn)生垂直方向應(yīng)力外，還受頂板下沉荷載q0作用，根據(jù)廣義庫侖理論，其計算式為:

式中:

σa—沿深度方向的主動土壓力分布強度，kPa;

γ—墻后填土的容重，kN/m3;

z—計算土壓力點的深度;

Ka—主動土壓力系數(shù)，按式(10)計算;

φ—為填料內(nèi)摩擦角，根據(jù)相關(guān)研究成果，此處取經(jīng)驗值40°。

則其對支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力為:

由上述計算可知，冒落矸石是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力，頂板巖層觸矸以后，最大側(cè)壓力為47.2 kPa。根據(jù)土壓力定義可知，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)被推動至發(fā)生橫向位移后，墻后土體會隨即發(fā)生滑動，并由此引發(fā)上覆巖層的新一輪運動和應(yīng)力調(diào)整，使穩(wěn)定后的頂板巖層再次發(fā)生運動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致巷道維護(hù)的失穩(wěn)。故進(jìn)行巷幫支護(hù)設(shè)計時，應(yīng)確保支護(hù)阻力大于最大側(cè)壓力，防止支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向位移。

工作面回采過程中，為防止采空區(qū)矸石竄入巷內(nèi)，在上幫第一排單體采空區(qū)側(cè)，吊掛1.2 m ×2.2 m長的金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片間搭接0.1 m，并用14#鉛絲每隔0.2 m雙絲扭結(jié)牢固，形成系統(tǒng)的半邊掛網(wǎng)擋矸、通過“頂接十字頂梁”、“底穿特制鐵鞋”在其后背裱半圓木等措施以平衡采空區(qū)側(cè)向壓力，形成無人工巷旁充填進(jìn)行護(hù)幫。留巷最終支護(hù)效果見圖1。

圖1 2404運輸巷聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)

5 支護(hù)效果分析

對下巷進(jìn)行每日的礦壓觀測，以確定巷道頂板及兩幫的變形量，具體的測試結(jié)果如圖2～4所示。

圖4 頂板下沉量示意圖

由圖2～4可知，離煤壁越近的巷道變形量越大，隨著工作面的逐漸推進(jìn)，變形量逐漸減小至某一固定值。巷道兩幫的變形量在距煤壁0～145 m左右時逐漸變大，超過145 m后趨于穩(wěn)定。巷道的頂?shù)装遄冃瘟吭诰嗝罕?20 m前呈逐漸增加的趨勢，在越過該距離后基本保持不變。頂板下沉量在距煤壁距離超過130 m后趨于穩(wěn)定。

由以上分析可知，在距煤壁距離100 m之前，受動壓影響最為嚴(yán)重，在該階段各變形量也呈逐漸增加的趨勢，在超過120～140 m后，巷道的兩幫變形量、頂?shù)装遄冃瘟考绊敯逑鲁亮慷急３帜骋还潭ㄖ?，說明巷道在超過該距離后基本不受動壓影響，至留巷的成巷階段。

6 結(jié)論

1)以極限平衡區(qū)深入圍巖內(nèi)的深度分類指標(biāo)為依據(jù)，確定巷道掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)。

2)以沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律為依據(jù)，對所留巷道進(jìn)行永久加強支護(hù)和臨時加強支護(hù)，永久加強支護(hù)采用補打錨索的方式，臨時加強支護(hù)采用單體液壓支柱配合十字鉸接頂梁。

3)巷幫采用“單體液壓支柱配合鉸接十字頂梁背裱半圓木金屬網(wǎng)阻隔矸石”的新型無充填護(hù)幫形式，形成無人工充填的巷旁支護(hù)形式。

4)通過2404工作面回采證明，沿空留巷采用錨網(wǎng)索梁點支柱聯(lián)合支護(hù)是合理、可行、有效的，巷道滿足了生產(chǎn)、通風(fēng)和行人的要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。錨網(wǎng)索梁點支柱聯(lián)合支護(hù)在沿空留巷中的成功應(yīng)用，為類似條件下沿空留巷提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。

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