大傾角中厚煤層綜采柔模沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

陳長江 趙志剛 王俊超

摘 要：沿空留巷技術(shù)目前在緩傾斜中厚煤層開采中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，而在大傾角中厚煤層中成功應(yīng)用案例則較少。本文以31342采面為例，結(jié)合其地質(zhì)賦存狀況以及周邊同類似礦井沿空護(hù)巷經(jīng)驗(yàn)，在回采過程中進(jìn)行柔模沿空留巷工藝試驗(yàn)；同時(shí)利用單體液壓支柱+鉸接頂梁對(duì)超前缺口以及機(jī)巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，大幅度減少了軟弱頂板對(duì)作業(yè)人員的安全威脅，保障施工安全。工程實(shí)踐證明，該技術(shù)能夠較好的控制機(jī)巷的圍巖變形，保證其圍巖穩(wěn)定性，可以滿足上風(fēng)巷需要，對(duì)西南地區(qū)大傾角煤層中應(yīng)用均有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：沿空留巷；柔模留巷；大傾角中厚煤層；支護(hù)

沿空護(hù)巷不單單能夠較大程度的緩解采掘接替壓力，而且還能大幅度減少開采成本[1—3]。然而，在大傾角煤層開采中，由于傾角大，煤層頂?shù)装迩闆r復(fù)雜，沿空護(hù)巷難度較大，各個(gè)礦借鑒的經(jīng)驗(yàn)又不多；因此，如何成功在大傾角薄煤層中進(jìn)行沿空護(hù)巷技術(shù)成為了研究重點(diǎn)，也是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 地質(zhì)賦存條件

3（13）42工作面范圍內(nèi)13#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸層數(shù)多，煤質(zhì)偏硬。該煤層為單斜構(gòu)造，走向近于

東西，煤層傾角變化不大，一般為38°～40°，平均39°，煤層總厚均為1.98m，純煤厚均為0.86m，厚度穩(wěn)定，屬不穩(wěn)定煤層；偽頂為泥巖厚0.2m；直接頂為灰色薄層狀粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖厚1.75m；基本頂由砂巖及上覆泥巖組成，平均厚3.75m，普氏系數(shù)7.5；直接底為炭質(zhì)泥巖，平均厚8.52m，普氏系數(shù)3。受斷層破碎帶和背斜褶曲的影響，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。

2.沿空留巷支護(hù)荷載規(guī)律

頂板進(jìn)入后期巷道上方下位巖層可能冒落，頂板平移或反轉(zhuǎn)下沉引起的煤幫擠出和底鼓量加劇。可見，支護(hù)的后期作用是保證下位巖層不垮落，防止煤幫擠出或片幫造成巷道狀況惡化；加固煤幫以提高煤幫承載能力、減少后期下沉量，加固底板、減少底鼓量。前期應(yīng)以頂為主，“頂、讓兼顧”的支護(hù)原則。設(shè)計(jì)支護(hù)最大載荷以前期為主。后期作用要求具有適當(dāng)雙向承壓性能的同時(shí)，要求支護(hù)具有較大雙向可縮性能。后期應(yīng)以讓為主，“讓、頂兼顧”的支護(hù)原則。設(shè)計(jì)支護(hù)最大變形以后期為主。

3.柔模混凝土沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1巷內(nèi)基本支護(hù)設(shè)計(jì)方法

3.1.1巷內(nèi)基本支護(hù)的作用

沿空留巷頂板巖層活動(dòng)劇烈，因此必須通過巷內(nèi)支護(hù)手段控制圍巖大變形。巷內(nèi)支護(hù)的作用一方面是主動(dòng)控制頂板垮落帶范圍內(nèi)巖層的橫向剪切錯(cuò)動(dòng)，另一方面是主動(dòng)控制頂板垮落帶范圍內(nèi)巖層的的縱向碎脹變形，即將頂板垮落帶范圍內(nèi)的巖層錨固成一個(gè)“組合剛性頂板”，提高頂板剛度，確保留巷頂板與柔模混凝土巷旁支護(hù)的剛度匹配，更好地控制圍巖變形。被動(dòng)支護(hù)不具有這種能力，只能通過高強(qiáng)度、高剛度和高預(yù)應(yīng)力的錨桿（索）主動(dòng)支護(hù)來實(shí)現(xiàn)。

3.2巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)方法

3.2.1巷旁支護(hù)作用機(jī)理

巷旁支護(hù)體有效維護(hù)巷道，關(guān)鍵是要有足夠的支護(hù)強(qiáng)度及適量的可縮量，足夠的支護(hù)強(qiáng)度能夠及時(shí)切落采空區(qū)側(cè)足夠高度的頂板巖層，使更上位巖層得到采空區(qū)冒落矸石及側(cè)向煤體支撐，同時(shí)，適量的可縮量滿足直接位于巷道上方的巖層服從控頂高度以上巖層的旋轉(zhuǎn)下沉，防止在頂板巖層旋轉(zhuǎn)下沉?xí)r被破壞，實(shí)現(xiàn)控頂載荷向側(cè)向煤體及采空區(qū)冒落矸石轉(zhuǎn)移。

3.2.2旁支護(hù)設(shè)計(jì)方法

該理論由英國學(xué)者威特克提出，認(rèn)為，巷旁支護(hù)帶處于未采動(dòng)煤體的高壓力區(qū)和冒落矸石之間，是一個(gè)降壓區(qū)，巖塊一邊的采空區(qū)提供一個(gè)主要自由面，因巖塊呈層狀，可能在一定高度H上產(chǎn)生離層，導(dǎo)致巖塊沿煤體以θ角斷裂，進(jìn)入完全自由狀態(tài)，成為支護(hù)體的載荷。

（1）

式中：

q—支護(hù)體載荷；bB —支護(hù)體內(nèi)側(cè)到煤壁的距離， m；x —支護(hù)體的寬度，m；bc —支護(hù)體外側(cè)懸頂距，m；γs —巖塊重度，kN/m3；

h —采高，m；θ —剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取為26°；

α —煤層傾角；H —冒落高度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取4h；板易冒落時(shí)，k取1.5—2。

4.工程實(shí)踐

4.1支護(hù)體載荷計(jì)算

采用“分離巖塊法”計(jì)算巷旁支護(hù)體上承受的載荷，該方法的理論依據(jù)是沿空巷道和支護(hù)體上方一定范圍內(nèi)分離巖塊的重量構(gòu)成了支護(hù)體載荷。按照式（1）計(jì)算。

式中：q —支護(hù)體載荷；bB —支護(hù)體內(nèi)側(cè)到煤壁的距離，計(jì)算可得4.4m；x —支護(hù)體的寬度，分別取1m及0.8m進(jìn)行計(jì)算；bc —支護(hù)體外側(cè)懸頂距，取為1m；γs—巖塊重度，取24 kN/m3；h—采高，2.2m；

θ—剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取為26°；α—煤層傾角，為42°；H —冒落高度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取4h，為8.8m。

①x=1m時(shí)

② x=0.8m時(shí)

由上述計(jì)算可知，當(dāng)支護(hù)厚度為1m、0.8m時(shí)，長度方向?yàn)?m時(shí)，支護(hù)體上承受的載荷分別為1093kN/m2、1369kN/m2。

（2）支護(hù)體整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

采空區(qū)冒落的矸石散落后，堆積在混凝土墻式支護(hù)體的側(cè)邊，對(duì)混凝土連續(xù)整體式支護(hù)體有一定的側(cè)壓力，需進(jìn)行混凝土墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算，驗(yàn)算時(shí)取矸石側(cè)壓力的最大值，即視為混凝土支護(hù)體的采空區(qū)一側(cè)堆滿矸石。若支護(hù)厚度為0.8m時(shí)，支護(hù)體能保證穩(wěn)定，則支護(hù)體厚度為1m時(shí)支護(hù)體肯定也能滿足穩(wěn)定性要求，以下以支護(hù)體厚度為0.8m時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

①計(jì)算矸石側(cè)壓力。

矸石的側(cè)壓力計(jì)算如下式所示：

式中：Ea —矸石對(duì)支護(hù)體的壓力；γ —矸石的重度，由于矸石松散體，取為22kN/m3；H —散落矸石的高度，本次支護(hù)取2.2m；φ —散落矸石的內(nèi)摩擦角，取30o。

可得矸石的壓力為：

=17.7kN/m

墻體承受的彎矩為：

②傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算如下式所示：

式中：Kt——抗傾覆安全系數(shù)；G——支護(hù)體每延米自重，1.0×2.2×22=48.4Kn/M ；a ——支護(hù)體重心距離支護(hù)體失穩(wěn)點(diǎn)的距離，0.8/2=0.4m ；b ——矸石側(cè)壓力距離支護(hù)體失穩(wěn)點(diǎn)的距離，0.8m；α ——煤層傾角，為42o；

z——矸石側(cè)壓力作用點(diǎn)與混凝土支護(hù)體失穩(wěn)點(diǎn)的距離，0.8m。

由此得： >抗傾覆安全系數(shù)最小值1.5。

由于傾覆計(jì)算模型未考慮頂板對(duì)其的壓力，因此若將頂板壓力對(duì)其穩(wěn)定性的影響進(jìn)行參考，其抗傾覆安全系數(shù)定遠(yuǎn)大于1.5，因此該支護(hù)結(jié)構(gòu)可視為安全。

③滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算如下式所示：

式中：Ka ——抗滑安全系數(shù)；μ ——底板對(duì)支護(hù)體底部的摩擦系數(shù)，由于底板較為光滑，摩擦系數(shù)較小，μ 取 0.3。

由式得 <抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值 1.6。

上述計(jì)算中沒有考慮頂?shù)装逯步钋闆r，即無植筋時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生墻體傾覆情況，但有可能產(chǎn)生滑移。若對(duì)底板進(jìn)行植筋，則將底板與柔模墻體連為一體，則可取μ=1，此時(shí)Ka=3.92 ，即植筋后不會(huì)產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。

（3）支護(hù)體承載力驗(yàn)算

模型高2.2m，短邊長0.8m，構(gòu)件的長細(xì)比為2.75，構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù) 取1。

模型的承載能力計(jì)算如下式所示：

式中：N2 —支護(hù)體的承載能力； —構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，查閱資料為1；fc —混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，C30時(shí)為22.5N/mm2；A—截面面積，為800mm×1000mm。

計(jì)算可得支護(hù)體的承載能力為

即厚度為0.8m，強(qiáng)度為C25每延米混凝土連續(xù)墻承載能力為16200kN，遠(yuǎn)大于支護(hù)體的載荷1396×3（動(dòng)荷系數(shù)）=4188kN，因此可視為支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

4.2頂?shù)装逯步钤O(shè)計(jì)

根據(jù)巷旁支護(hù)抗滑移計(jì)算可知，在頂?shù)装宀徊扇〈胧┣闆r下，巷旁柔模墻體有滑移的危險(xiǎn)，因此，需對(duì)柔模墻體澆筑空間頂?shù)装暹M(jìn)行植筋。

（1）采用錨桿進(jìn)行頂板植筋，柔模墻體澆筑空間頂板沿走向打設(shè)一排錨桿，錨桿規(guī)格φ18×1000mm，排距0.5m；

（2）采用錨桿進(jìn)行底板植筋，柔模墻體澆筑空間底板沿走向打設(shè)2排錨桿，錨桿規(guī)格φ18×1000mm，間排距0.5×0.5m。

4.3擋矸系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計(jì)

沿空留巷擋矸系統(tǒng)包括金屬網(wǎng)、木點(diǎn)柱、頂?shù)装逯步罴皳蹴钒鍝蹴贰?/p>

（1）金屬網(wǎng)在工作面液壓支架前方連續(xù)鋪設(shè)，起護(hù)頂擋矸作用。

（2）在金屬網(wǎng)下部打設(shè)木點(diǎn)柱，既可以進(jìn)行擋矸，又可以用來掛設(shè)柔模，木點(diǎn)柱直徑200mm，間距0.5m。

（3）在1#支架掩護(hù)梁處加設(shè)擋矸板，擋矸板高度1m，長度3-4m，厚度4cm，采用螺栓固定或焊接方式固定在1#支架尾部或底座上，進(jìn)行擋矸。

（4）在巷旁墻體澆筑區(qū)域的頂?shù)装迳现步睿捎脴渲^桿作為植筋，植筋長度1m，外露出頂?shù)装?.5m，巷旁混凝土墻體澆筑時(shí)將其刺入柔模內(nèi)和混凝土澆筑為一體，防止墻體下滑，同時(shí)起到擋矸作用。

4.4 超前工作面缺口支護(hù)

回采時(shí)，在工作面1號(hào)支架下作超前缺口。超前工作面煤壁不小于2.4m，采用電煤鉆打眼炮掘，從下平巷巷幫往1號(hào)支架方向施工缺口：長×寬×高=2400×4300×1200mm，未作超前缺口段靠割煤機(jī)截割，工作面正常生產(chǎn)與作超前缺口時(shí)的煤炭均通過溜槽進(jìn)入機(jī)巷轉(zhuǎn)載機(jī)；1號(hào)液壓支架外缺口范圍內(nèi)頂板采用單體液壓支柱及鉸接頂梁進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)方式為：緊貼1號(hào)支架延傾向打設(shè)一排密集支柱，間距0.25m，長度不小于2m；再延傾向密集末端后空方向打設(shè)一排走向密集支柱，不小于2.4m。

4.5臨時(shí)滯后支護(hù)方式及長度設(shè)計(jì)

根據(jù)代池壩煤礦實(shí)際情況滯后支護(hù)選用單體帶帽支護(hù)，單體排距1m，每排2根。若在留巷過程中，后巷壓力顯現(xiàn)較為明顯則采用單體配配π型梁（長鋼梁）支護(hù)，一梁二柱，排距1m，每排2根，滯后工作面支護(hù)距離90m，根據(jù)礦壓選擇合適的滯后支護(hù)長度，防止回采過程中礦壓顯現(xiàn)對(duì)留巷巷道造成破壞。

5.工程實(shí)踐效果

為了觀測(cè)沿空留巷過程中，隨工作面推進(jìn)，巷內(nèi)頂板的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在31342工作面機(jī)巷超前20m位置，布置巷內(nèi)頂板離層測(cè)站。

沿空留巷巷道位移觀測(cè)分析

（1）頂?shù)装逡平咳鐖D所示。

圖 1 頂?shù)装逡平壳€圖

從圖1可知：

1）1#測(cè)點(diǎn)（距切眼10m）、3#測(cè)點(diǎn)（距切眼50m）總體移近量較小，1#測(cè)點(diǎn)距切眼較近，初次來壓還沒來移近量較小；3#測(cè)點(diǎn)初次來壓已過，頂板圍巖活動(dòng)趨于穩(wěn)定，來壓也較小，因此移近量較小；2#測(cè)點(diǎn)位于初次來壓步距之間，頂板圍巖活動(dòng)劇烈，因此移近量較大，最大移近量162mm，小于規(guī)定值285mm。

2）頂?shù)装逡平砍跗陂_始增幅較大，表明初次來壓顯現(xiàn)，后期頂?shù)装逡平坑纸?jīng)歷一次較大增幅，表明周期來壓顯現(xiàn)。

（2）兩幫移近量如圖2所示。

圖 2 兩幫移近量曲線圖

1#測(cè)點(diǎn)（距切眼10m）、2#測(cè)點(diǎn)（距切眼30m）兩幫移近量總體較小，3#測(cè)點(diǎn)（距切眼50m）兩幫移近量較大，出現(xiàn)片幫，但總體來說3個(gè)測(cè)點(diǎn)兩幫移近量較小。兩幫移近量最大值42mm，片幫最大量173mm，均小于規(guī)定值180mm。

6.結(jié) 論

（1）對(duì)大傾角沿空留巷圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了研究，為沿空留巷技術(shù)方案的設(shè)計(jì)提供了理論支撐。

（2）給出了柔模沿空留巷設(shè)計(jì)的詳細(xì)方法，為項(xiàng)目的實(shí)施提供可靠的技術(shù)支持。

（3）沿空留巷巷旁柔模墻體與頂板接觸密實(shí)，具有早強(qiáng)、急増阻特性，有效控制了頂板的完整性。

（4）通過圍巖變形觀測(cè)表明，留巷巷道頂?shù)装寮皟蓭臀蛔畲笠屏烤∮谠O(shè)計(jì)值285mm和180mm，滿足后續(xù)生產(chǎn)需要。

綜上所述，31342工作面機(jī)巷使用柔模沿空留巷技術(shù)后，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道變形量小，能滿足后續(xù)生產(chǎn)需要，取得了良好的效果，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：

陳長江（1985-），男，新疆人，大學(xué)本科文化，采礦工程師，現(xiàn)任四川廣旺集團(tuán)代池壩煤礦生產(chǎn)技術(shù)科副科長，從事生產(chǎn)技術(shù)管理.