綜采原位沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

文/翟來軍

綜采原位沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

文/翟來軍

沿空留巷是合理開發(fā)煤炭資源，提高煤炭回收率，改善巷道維護，減少掘進量，有利于礦井安全生產(chǎn)和改善礦井技術(shù)經(jīng)濟效益的一項先進的地下開采技術(shù)。推行沿空留巷，不僅對生產(chǎn)礦井進行技術(shù)改造、緩和采掘關(guān)系和延長礦井使用壽命具有現(xiàn)實意義，而且也是煤炭企業(yè)改善安全條件和技術(shù)經(jīng)濟指標，增產(chǎn)增盈減虧的主要途徑之一。目前對于綜采原位沿空留巷技術(shù)的研究尚少，本文就冀中能源峰峰集團小屯礦2106工作面綜采大斷面原位沿空留巷支護形式、回采期間巷道變形規(guī)律以及錨桿受力的觀測進行了闡述。

一、地質(zhì)概況

小屯礦為高瓦斯礦井，2007年度瓦斯等級鑒定結(jié)果為：礦井瓦斯絕對涌出量55.41m3/min，瓦斯相對涌出量為11.45m3/t。煤層自然發(fā)火期為3~6個月，煤塵具有爆炸危險。為降低技術(shù)開發(fā)風險，綜采原位沿空留巷技術(shù)應(yīng)用研究工業(yè)性試驗點選在小屯煤礦瓦斯含量偏低且煤層自然發(fā)火期尚短的2106綜采工作面。

2106綜采工作面位于東一采區(qū)南部東側(cè)，工作面西側(cè)為未被開采的實體煤層；東側(cè)2104工作面；南部至南風井保安煤柱線；北部為東一集中皮帶運輸石門。工作面傾斜長度230m，走向長度767m；工作面地面標高67.20m~69.10m，井下標高為-354m~-390m。

2106綜采工作面開采2號煤，煤層賦存穩(wěn)定，傾角大部分為5°，平均厚4.5m，普氏堅固性系數(shù)f=1~1.5；煤層頂板為二類Ⅱ級，偽頂厚0~0.8m，為炭質(zhì)泥巖，分布不穩(wěn)定；直接頂厚0~7m，平均4m，為泥質(zhì)粉砂巖，層理一般不太發(fā)育，完整性較好，普氏系數(shù)f=3~4；老頂厚5~14m，一般8~10m，為中細砂巖，普氏系數(shù)f=6~8；底板為厚0.6m的泥質(zhì)粉砂巖及厚2m的細砂巖，普氏系數(shù)f=3~4。

二、巷道支護方式及支護參數(shù)

原巷道設(shè)計斷面為矩形斷面，寬×高=5.0m×3.0m。

支護參數(shù)確定原則是：高預(yù)應(yīng)力、加長或全長錨固；應(yīng)力擴散，增大護表構(gòu)件的剛度和強度；組合支護，錨桿錨索匹配，保證支護整體性能；高強度、高剛度、高可靠性、低密度。

1.頂板支護

巷道頂板采用7根Ⅳ級左旋錨桿專用螺紋鋼超高強預(yù)拉力錨桿加4.8m長T1型鋼帶、φ10mm鋼筋網(wǎng)或φ6mm冷拔電弧金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。

錨桿規(guī)格為φ22-M24-2600mm，每根錨桿配套φ30鉆孔、三節(jié)Z2350型樹脂藥卷加長錨固；錨桿間距750mm，排距800mm、錨桿預(yù)緊力不低于60~80KN，錨固力不低于120KN，錨桿預(yù)緊力矩不小于300N·m。

巷道頂板每3排錨桿布置11套高于應(yīng)力錨索梁，呈“4-3-4”布置，眼孔深度6m，錨索與頂板垂直。

2．兩幫支護

巷道兩幫采用4根左旋錨桿專用螺紋鋼高強預(yù)拉力錨桿加2.6m長M4型鋼帶、φ10mm鋼筋網(wǎng)、φ6mm冷拔電弧金屬網(wǎng)或鋼塑復(fù)合網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿規(guī)格φ20-M22-2500mm。每根錨桿采用二節(jié)Z2350型中速樹脂藥卷加長錨固；幫部錨桿間距為800mm，排距為800mm。錨桿預(yù)緊力不低于60~ 80KN，錨固力不低于80KN，錨桿預(yù)緊力矩不小于300N·m。

3．超前工作面擴幫與大斷面巷道加固支護技術(shù)

在2106綜采工作面前方，對回采側(cè)煤壁進行超前擴幫處理，如存在偽頂，應(yīng)將偽頂破除。頂板采用錨桿、錨索加固。頂板錨桿間排距為800mm×1000mm，每排三根錨桿，錨桿規(guī)格為φ20-M22-2500mm等強錨桿，鋼筋梯長2.2m。每根錨桿采用一節(jié)CK23120型樹脂藥卷。錨索三花布置，錨索間距1925mm，排距1600mm。錨索規(guī)格為φ21.8×4300mm，采用一卷CK23120藥卷。

4．沿空留巷加強支護

長度2.4m為大柈護幫作梁，單體支柱作腿，平行巷道與頂板鋼帶垂直布置，大柈護幫下布置雙排鉸接頂梁，實行一梁兩柱，柱距0.6m，鉸接頂梁平行巷道方向布置。布置在巷道中部，兩排鉸接頂梁間距為1.2~1.6m。每排支護要打齊、打直，在大柈護幫與頂板鋼帶交匯處打單體支柱，單體支柱與大柈護幫垂直且配有防倒鏈，確保防倒鏈扎實有效。

三、原位沿空留巷充填設(shè)備與工藝

巷內(nèi)充填隨回采工作面的推進而間續(xù)逐段實施，其作用與工作面后方沿空留巷側(cè)向頂板運動規(guī)律密切相關(guān)。頂板前期活動規(guī)律以旋轉(zhuǎn)下沉為主，來壓強度較小，充填體的作用力主要是平衡巷道上方直接頂及其懸臂部分巖層的重量。同時，為保持巷道頂板的完整性，增加直接頂?shù)姆€(wěn)定能力，要求充填體與巷內(nèi)支護共同作用，保持直接頂與基本頂?shù)木o貼。而原位充填的充填工藝，使充填速度加快，更好地為充填體提供了支撐。下幫安裝H型桿體可拉伸錨桿，再施工頂錨桿。頂板錨桿安裝完成8小時之后，可撤除臨時支架。

充填采用ZZTM2×6400/21/ 35H型液壓充填模板支架，前移機械立模，通過四根立柱支撐頂梁，主要承受頂板的垂直壓力；通過掩護梁及前、后連桿與底座各自鉸接構(gòu)成四連桿機構(gòu)，來承受支架所承受的水平力和側(cè)向力；底座設(shè)有抬底座裝置；前梁帶有伸縮梁和護幫梁；頂梁設(shè)有側(cè)護板，保護性能好，支架縱橫穩(wěn)定性強。支架后部設(shè)置有后頂梁，可通過后面兩根立柱支撐，起臨時支護作用。支架各構(gòu)件之間及結(jié)構(gòu)件與液壓元件均通過銷軸、螺栓等連接，管路連接采用快速接頭、U型卡，拆裝維護方便。

四、巷道錨桿受力觀測結(jié)果與分析

監(jiān)測錨桿受力是巷道礦壓監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。通過監(jiān)測支護體受力大小與分布，可全面地了解錨桿工作狀況，判斷錨桿是否發(fā)生屈服和斷裂，評價巷道圍巖的穩(wěn)定性與安全性，錨桿支護設(shè)計是否合理。

觀測數(shù)據(jù)表明，2106綜采工作面巷道錨桿受力規(guī)律如下：實體煤幫處頂錨桿的最大荷載為5kN，幫錨桿最大荷載為24kN，平均荷載為16kN，充填體處頂錨桿最大荷載為8kN。因充填體支護及時，頂板所受垂直應(yīng)力較小，所以頂錨桿荷載比較低。同時，由于充填體變形相對較大，實體煤幫承受較大的應(yīng)力，因此幫錨桿平均荷載相對較大，但在沿空留巷期間充填帶頂錨桿和幫錨桿還未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，充分表明錨桿還有較大的承載空間。

五、結(jié)論

1.整個觀測過程中，巷道頂板下沉速度較低，頂板主要礦壓顯現(xiàn)為破碎巖塊兜冒現(xiàn)象。頂板良好的變形控制得益于掘進期間錨帶網(wǎng)索組合支護技術(shù)對頂板的控制，以及沿空留巷期間巷內(nèi)單體支柱輔助加強的措施。

2.2106綜采工作面綜采原位沿空留巷技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)場工業(yè)性試驗證實，該支護設(shè)計能夠有效控制綜采大斷面原位沿空留巷的強烈變形，提高了圍巖的穩(wěn)定性，有效抑制頂?shù)装濉蓭偷淖冃巍Ｔ谡麄€服務(wù)期間，巷道經(jīng)歷了掘進影響期、掘進穩(wěn)定期、采動影響期三個階段，工作面的回采對巷道圍巖變形的影響最為嚴重，但頂?shù)装逑鄬傄平?34mm，兩幫相對移近量僅423mm，沿空留巷穩(wěn)定后巷道最終斷面面積大于10m2，滿足了支護要求，綜采大斷面原位沿空留巷支護應(yīng)用取得了初步的成功，為以后同類巷道的支護提供了寶貴經(jīng)驗。

（作者單位：冀中能源峰峰集團小屯礦）

（責任編輯：周瓊）