大采高綜采工作面高水材料沿空留巷試驗

郝立賓,楊永康

(太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

沿空留巷無煤柱開采技術,具有能夠提高采區回收率,優化通風系統,增加抽采空間和時間,避免區段煤柱應力集中等優點,是緩解采掘銜接緊張,實現高產高效的有效技術手段[1]。

李村煤礦是新建大型礦井,開采3#煤層,埋深480 m～850 m,采用大采高綜采一次采全高采煤法。為保證沿空留巷的成功應用,在礦井首采工作面進行了沿空留巷試驗。

1 工作面及留巷段概況

礦井開采二疊紀下統山西組3#煤,煤厚3.9 m～4.4 m,平均4.2 m。煤層層位穩定,結構簡單,屬穩定的全區可采煤層。煤層的上覆巖層,從直接頂至老頂為軟弱—堅硬型,再往上為軟弱—堅硬型的相間復合結構[2]。底板自上而下為軟—堅硬型,直接底軟弱巖石在水的作用下,易發生軟化。煤層頂底板綜合柱狀圖詳見圖1。頂底板巖石物理力學參數如表1所示。

圖1 煤層頂底板綜合柱狀圖

首采工作面埋深586 m,可采長度500 m,平均煤厚4.2 m,采用綜采一次采全高采煤法。采用雙U型布置,其中運輸巷、進風巷進風,回風巷和輔助回風巷回風,工作面運輸巷布置皮帶、電氣列車等設備。在運輸巷進行沿空留巷試驗,巷道斷面5.5 m×4.2 m,采用“錨網索”支護。工作面巷道布置詳見圖2。

圖2 1301綜采工作面巷道布置圖

表1 頂底板巖石物理力學參數表

2 留巷設計

2.1 巷旁充填體設計

采用“分離巖塊法”計算巷旁充填體所受壓力,該方法理論依據是巷旁充填體承受實體煤幫以自然垮落角斷裂形成的自由巖塊的重量,自由巖塊的幾何尺寸與留巷寬度、充填體寬度及采高等參數有關[3]。巷旁充填體載荷計算公式:

式中:q為巷旁充填體載荷,MPa;bB為留巷寬度,取4.5 m;x為充填體寬度,取1.5 m～2.5 m;bC為充填體外側懸頂距,取0.3 m;γ為自由巖塊密度,取26 kN/m3;h為采高,取4.2 m;α為剪切角,根據經驗選取26°;θ為煤層傾角,取8°。

當充填體寬度為1.5 m～2.5 m之間時,計算得巷旁充填體所承受的壓強為2.5 MPa～1.7 MPa,動載系數取2,則充填體承受的壓力為8.5 kN/m～7.5 kN/m。

常用的充填材料有混凝土、高水材料、矸石等,其中高水材料具有凝固快、初期強度大、易施工、有一定讓壓特性,本次試驗選用高水材料做為充填材料[4]。根據高水材料的實驗室試驗力學特性(見圖3),考慮一定折減系數和安全系數,選取水灰比為1.5:1,巷旁充填體寬度為2.5 m,充填體支護阻力可以達到20 kN/m左右,滿足留巷要求。

高水材料是充填體的主要材料,為了使充填體成型,并形成三軸受力狀態,使用充填袋、鋼筋網、對拉錨桿輔助,充填體結構見圖4。

圖3 高水材料力學特性曲線

1-充填袋;2-小導管;3-托盤;4-對拉錨桿;5-鋼筋網;6-螺帽

2.2 輔助支護設計

巷旁充填體是沿空留巷主要支護體,為配合施工工藝并加強支護,需要采取輔助支護。一是對頂板不完好處補打錨索支護;二是在三角區鋪10 m×10 m聚酯纖維網,每刀煤在架前打3根Φ22 m×5.3 m錨索支護;三是在端頭架后架一梁四柱單體柱棚支護,并補打被支架破壞的錨索;四是使用單體柱、圓木配合架前鋪網、打錨索維護充填體作業空間[5],詳見圖5、圖6。

圖5 工作面運輸巷沿空留巷輔助支護平面圖

圖6 工作面運輸巷沿空留巷輔助支護剖面圖

3 施工流程

高水材料由甲、乙兩種材料組成,需要分別攪拌和泵送甲乙料漿液,為雙液充填工藝。設計推進4刀煤即3.2 m充填一模,由于采高達到4 m以上,為避免充填過程中破袋,采用上下分層施工工藝。具體施工流程如下:

1)架前鋪網、上料、打錨索:在機頭三角區架前鋪聚酯纖維網,并上木料,每刀煤在架前打三根錨索。

2)采空區支護:移架后在端頭架后架單體柱棚支護頂板,并沿設計充填體采空區側打木點柱,配合架前鋪好的聚酯纖維網擋矸。

3)支模:清理底板,回收上一模支護單體柱,打下一模外圍單體柱,綁鋼筋網片和橫筋,掛模穿對拉錨桿。

4)攪拌灌漿:在支模的同時備料至攪拌桶處,攪拌桶加水至設計位置,填入物料,添加完畢后攪拌5 min以上,開泵灌漿。

5)收尾工作:灌漿完成后清洗攪拌、泵送設備及管路,灌漿完成30 min后,預緊對拉錨桿至150 Nm。

4 留巷效果

對留巷巷道進行了礦壓觀測,最終巷寬3.1 m～4.3 m,巷高2.3 m～2.7 m。由于煤體自身強度低,在工作面前方40 m發生變形,實體煤幫約為800 mm,頂底板移近量約為800 mm。工作面后方0 ～20 m處變形量小,20 m～60 m處變形量明顯,60 m以后趨于穩定,實體煤幫約為530 mm,頂底板移近量約為710 mm。巷道變形量曲線圖見圖7。

通過預埋在充填體上的液壓枕監測,在工作面后方 0～10 m范圍內,充填體的載荷小于1 MPa;工作面后10 m～20 m范圍內,充填體的載荷開始急劇增加,最大達到8.5 MPa;在工作面后方40 m以外,最終穩定在7 MPa左右。充填體載荷曲線圖見圖8。

圖7 沿空留巷巷道變形量曲線圖

圖8 沿空留巷充填體載荷曲線圖

5 問題分析與改進

從試驗結果看,留巷段礦壓顯現明顯,變形量較大,分析其主要原因如下:

1)工作面埋深大,礦壓大,自推進240 m見方來壓時開始試驗,來壓強度大。雖然提前在外幫煤墻采取了打幫錨索、噴漿、注漿措施,但由于受煤體自身強度低及斷層帶影響,巷寬很大部分變形為外幫煤墻變形。

2)未使用切頂擋矸支架。在采空區側采取打錨索、打柱措施維護作業空間,但造成了懸頂面積大,加之墻體寬、強度低,切頂效果差,對留巷產生了負面影響。

3)未改造端頭架。端頭架長9 m,滯后4 m支模,支架升緊則破壞錨索、錨桿,支架不升緊則懸頂過長且頂不動溜,雖然采取了墊木料、廢皮帶措施,仍然造成支模前變形量大。

4)注漿泵設計為等量進漿,但實際操作中,甲料比乙料顆粒大,或受潮出現大顆粒,會出現甲料進漿速度慢的問題,造成柔模中高水材料不凝固或強度低。

5)灌漿過程中必須人工及時調整柔模,否則出現破袋、成型不好、不接頂問題,柔模強度低,不能大壓力灌漿,墻體初撐力低。

下一步在實際應用時,應采取的改進措施包括:改造端頭架,減小空頂長度;采用擋矸切頂支架,形成安全的作業空間;提前切頂卸壓,減小采空區懸臂長度;調整支架配套,避免支架破壞頂板原支護;減小水灰比,提高墻體強度,縮小墻體寬度;加強現場施工管理,嚴格按標準操作。