某礦自適應(yīng)載荷巷旁支護(hù)技術(shù)的研究

張存才

(山西焦煤集團(tuán)西山煤電集團(tuán)東曲礦綜采準(zhǔn)備隊(duì)，山西 古交 030200)

引 言

煤礦井下綜采作業(yè)離不開(kāi)井下支護(hù)，支護(hù)作業(yè)的效率和穩(wěn)定性直接決定著煤礦井下綜采作業(yè)的效率和綜采作業(yè)安全。傳統(tǒng)井下支護(hù)技術(shù)主要依賴于液壓支架、墩柱等共同組成的井下支護(hù)結(jié)構(gòu)，確保支護(hù)作業(yè)的穩(wěn)定性，但隨著綜采技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的井下支護(hù)作業(yè)效率不僅無(wú)法適應(yīng)井下綜采作業(yè)速度的快速發(fā)展，而且支護(hù)時(shí)留下了大量的煤柱，導(dǎo)致綜采作業(yè)面的煤炭回采率低，給煤礦井下作業(yè)造成了較大的影響[1]。本文針對(duì)某礦井下作業(yè)時(shí)支護(hù)效率低下、回采率低的難題，結(jié)合某礦井下巷道的實(shí)際情況，提出了一種自適應(yīng)載荷巷旁支護(hù)技術(shù)，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，其表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性，不僅極大地提升了綜采作業(yè)時(shí)的支護(hù)效率，而且也極大地提升了回采率，顯著提升了綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性，目前該巷旁支護(hù)技術(shù)已經(jīng)在某礦得到了全面的推廣應(yīng)用。

1 巷旁支護(hù)阻力確定

某礦的額定生產(chǎn)能力為1 140萬(wàn)t/a，其1071工作面處于地質(zhì)斷層結(jié)構(gòu)處，用于驗(yàn)證自適應(yīng)載荷巷旁支護(hù)技術(shù)的巷道寬度為4 100 mm，高度為3 000 mm，煤層的平均厚度為3 051 mm，綜采作業(yè)面上煤層傾角為17.4°，其工作時(shí)巷道圍巖的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 巷道圍巖的力學(xué)模型

由物體受力平衡時(shí)的靜力學(xué)模型可知，當(dāng)圖示沉降塊BC平衡時(shí)，其靜力學(xué)模型可表示為式(1)、式(2)。

NB-NC-qL=0

(1)

TB=TC

(2)

同理，對(duì)沉降塊AB進(jìn)行相同的靜力學(xué)分析，結(jié)合綜采作業(yè)過(guò)程中巷道的頂板的移運(yùn)規(guī)律，最終可計(jì)算得出進(jìn)行巷旁支護(hù)時(shí)的支護(hù)阻力pa，可表示為式(3)[2]。

(3)

式中：M1為巷道基本頂巖層的極限彎矩，N·m；py為巷道頂板作用在煤層上的壓力,MPa；M0為沉降塊A點(diǎn)處的殘余彎矩，N·m；q0巷道直接頂?shù)膯挝婚L(zhǎng)度的質(zhì)量,kg；Q為基本頂上層的巖層的單位長(zhǎng)度質(zhì)量,kg。

由此根據(jù)某礦井下巷道的實(shí)際地質(zhì)情況，求得巷道支護(hù)時(shí)的支護(hù)阻力Pa=2 643.76 kN/m，故在進(jìn)行巷旁支護(hù)作業(yè)時(shí)，設(shè)置墩柱時(shí)需在確保其臨界壓力低于40 MPa時(shí)盡量加大間距，以降低巷道內(nèi)的墩柱的數(shù)量。

2 自適應(yīng)載荷巷旁支護(hù)工藝方案

綜合某礦井下巷道內(nèi)的實(shí)際地質(zhì)條件，制定的巷旁支護(hù)工藝方案主要包括以下幾個(gè)方面;

1) 在超前回采工作面上按照每40 m設(shè)置一個(gè)墩柱，在設(shè)置墩柱時(shí)需要將墩柱緊靠著槽鋼煤幫的側(cè)壁設(shè)置，設(shè)置完成后需要將其用鐵絲固定到頂板槽鋼上，防止倒塌。

2) 墩柱設(shè)置完成后，需向墩柱內(nèi)灌入灌漿料，灌漿料采用水泥、沙子以及石子，按照質(zhì)量比為1∶2∶2的比例[3]進(jìn)行設(shè)置，確保灌漿料的流動(dòng)性和凝固時(shí)間的有機(jī)平衡。

3) 灌漿完成后，需要在原先固定鋼絲網(wǎng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行圍護(hù)直到接住底板為止，然后，將設(shè)置的鋼絲網(wǎng)固定到墩柱的掛鉤上，使相鄰的網(wǎng)片搭接大于100 mm。在煤幫側(cè)邊依次設(shè)置隔離墻，在墩柱的液壓點(diǎn)完成回撤后，將墩柱每隔10組，對(duì)采空區(qū)域進(jìn)行噴漿，噴漿的高度要完全沒(méi)過(guò)鋼絲網(wǎng)。

在某礦井下設(shè)置的巷旁支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示。

圖2 某礦井下設(shè)置的巷旁支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)圖

3 自適應(yīng)載荷巷旁支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果

為了對(duì)該巷旁支護(hù)技術(shù)的實(shí)際支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證，選定1071工作面對(duì)其進(jìn)行支護(hù)穩(wěn)定性分析，其支護(hù)過(guò)程中首先選定3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)其工作時(shí)的巷道頂板的移近量進(jìn)行研究，其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

由實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)采用新的自適應(yīng)巷旁支護(hù)時(shí)其工作面上圍巖的變化過(guò)程可分為3個(gè)部分，在工作面后側(cè)21 m范圍內(nèi)其圍巖的變形速度迅速增加，22 m～50 m范圍內(nèi)圍巖變形速度稍微降低，當(dāng)超過(guò)50 m以后圍巖變形基本穩(wěn)定。由此可知，綜采過(guò)程中工作面后側(cè)50 m范圍內(nèi)是井下巷道頂板圍巖最容易發(fā)生下沉的區(qū)域，采用新技術(shù)后其頂板的最大移近量約為400 mm，比之前的551 mm降低了約27.4%，顯著提升了井下支護(hù)作業(yè)的穩(wěn)定性。

采用新的支護(hù)技術(shù)后墩柱工作時(shí)段變形受力情況如圖4所示。

圖3 工作面頂?shù)装宓囊平壳€

圖4 墩柱的壓力及壓縮量變化曲線

由監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，在工作面后側(cè)21 m范圍，圍巖頂板的下沉速度較快，使頂板的變化量增加較快，此時(shí)墩柱主要起輔助的支撐作用，能夠有效地避免發(fā)生離層異常，此時(shí)主要是墩柱的外殼起支撐作用，墩柱內(nèi)部的灌漿料未受到大的壓力作用，因此壓力增加值較慢。當(dāng)超過(guò)21 m后由于頂板下側(cè)距離增加導(dǎo)致開(kāi)始?jí)嚎s墩柱內(nèi)的灌漿料，使其逐漸的壓實(shí)，滿足對(duì)頂板下沉的支護(hù)作用，此時(shí)內(nèi)部的壓力迅速增加并逐漸趨于穩(wěn)定。其最大的壓縮量約為255 mm，最大應(yīng)力約為26.9 MPa，小于墩柱的臨界壓力(約40 MPa)，完全滿足井下綜采作業(yè)的支護(hù)要求，確保了井下支護(hù)作業(yè)的安全性。

同時(shí)，由于設(shè)置時(shí)墩柱的距離增加，有效地降低了井下巷道的墩柱數(shù)量，使相同巷道內(nèi)的墩柱數(shù)量降低了約12%，減少了支護(hù)作業(yè)的工時(shí)，提升了綜采作業(yè)效率和回采率。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某礦井下支護(hù)作業(yè)缺陷的分析，根據(jù)長(zhǎng)期井下工作經(jīng)驗(yàn)，提出了一種自適應(yīng)載荷巷旁支護(hù)技術(shù)，對(duì)其支護(hù)原理和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，通過(guò)井下工作面的實(shí)際應(yīng)用表明：

1) 采用新技術(shù)后其頂板的最大移近量約為400 mm，比之前的551 mm降低了約27.4%，顯著提升了井下支護(hù)作業(yè)的穩(wěn)定性。

2) 自適應(yīng)載荷巷旁支護(hù)技術(shù)下最大壓縮量約為255 mm，最大應(yīng)力約為26.9 MPa，小于墩柱的臨界壓力(約40 MPa)，完全滿足井下綜采作業(yè)的支護(hù)要求，確保了井下支護(hù)作業(yè)的安全性。

3) 由于設(shè)置時(shí)墩柱的距離增加，有效地降低了井下巷道的墩柱數(shù)量，使相同巷道內(nèi)的墩柱數(shù)量降低了約12%，減少了支護(hù)作業(yè)的工時(shí)，提升了綜采作業(yè)效率和回采率。