無(wú)煤柱開(kāi)采沿空留巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及效果分析

曹 寬

（山西臨汾西山能源有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 041000）

多年來(lái)，煤礦安全生產(chǎn)一直是備受關(guān)注的話題，其主要包括綜采工作面巷道的支護(hù)效果、工作面設(shè)備運(yùn)行的安全性以及瓦斯、粉塵等易燃易爆的因素。其中，巷道支護(hù)是保證煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。沿空留巷開(kāi)采技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用于煤炭開(kāi)采的主流技術(shù)之一，該開(kāi)采技術(shù)能夠有效減少巷道掘進(jìn)的工作量、延長(zhǎng)工作面服務(wù)年限以及能夠有效解決工作面瓦斯安全等問(wèn)題[1]。因此，沿空留巷開(kāi)采技術(shù)被廣泛應(yīng)用。本文將以49407 工作面為研究對(duì)象，對(duì)其沿空留巷的支護(hù)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

某礦46309 工作面走向長(zhǎng)度為1 817 m、傾斜長(zhǎng)度為 187.4 m、面積為 340 505.8 m2，傾角為 2°～11°，平均5°。該工作面所采9 號(hào)煤層裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部地段煤層下部夾0.2 m 的頁(yè)巖或炭質(zhì)頁(yè)巖，厚度變化不大，屬于穩(wěn)定煤層。

46309 工作面煤層頂?shù)装鍘r層情況如表1 所示。

最大涌水量25 m3/h，正常涌水量為0～5 m3/h。瓦斯絕對(duì)涌出量為2 m3/min，煤塵爆炸指數(shù)為21.33%，煤塵具有爆炸性；自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，易自燃。

2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

本文在結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，46309 工作面的支護(hù)情況設(shè)計(jì)如下：

2.1.1 頂板支護(hù)

錨桿的規(guī)格為Φ18 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，每排錨桿的數(shù)量為6 根，錨桿的間距和排距分別為700 mm，定錨桿的預(yù)緊力最小為200 m。此外，頂板采用鐵絲網(wǎng)或鋼制托盤(pán)進(jìn)行輔助支護(hù)。

表1 46309 工作面煤層頂?shù)装鍘r層情況表

2.1.2 實(shí)體幫支護(hù)

兩幫支護(hù)錨桿的規(guī)格為Φ16 mm×2 000 mm 的右旋螺紋鋼錨桿。此外，頂部錨桿與H 梁配合使用。為確保基礎(chǔ)支護(hù)方案的支護(hù)效果，需錨桿相關(guān)的支護(hù)附件配合使用。錨桿支護(hù)附件類(lèi)型及規(guī)格如表2所示。

表2 錨桿支護(hù)附件參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)支護(hù)要求設(shè)定支護(hù)錨桿間的間距為1 000 mm，采用加長(zhǎng)端頭錨固方式[2]。頂錨桿和幫錨桿均采用樹(shù)脂藥卷進(jìn)行固定，不同的是定錨桿采用的兩種樹(shù)脂藥卷，規(guī)格分別為CK2350、Z2350；幫錨桿僅采用Z2350 樹(shù)脂藥卷進(jìn)行固定。

2.1.3 采空側(cè)幫支護(hù)

采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)對(duì)采空側(cè)幫進(jìn)行支護(hù)，該金屬網(wǎng)的規(guī)格為1.2 mm×2.2 m，網(wǎng)片間搭接0.1 m，并采用鉛絲每隔0.2 m 雙絲扭結(jié)牢固。

2.2 沿空留巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

為保證沿空留巷巷旁的支護(hù)效果能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，對(duì)其支護(hù)所需的填充材料的凝固時(shí)間、凝固后所能提供的支護(hù)強(qiáng)度及其可縮性提出了更高的要求。其中，支護(hù)強(qiáng)度主要確保其能夠阻止頂板的下沉，可縮性可確保其不會(huì)被破壞[3]。

經(jīng)對(duì)比分析，該工作面沿空留巷巷旁所采用的充填材料為高水速凝材料（ZKD）[4]。實(shí)踐表明，高水速凝材料不論從凝固后的支護(hù)強(qiáng)度還是從其可縮性等方面均能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，確保巷道圍巖盡管出現(xiàn)了較大的變形但其充填材料不會(huì)被切斷。

充填材料強(qiáng)度的計(jì)算公式如下式所示：

式中：Eb代表充填材料的彈性模量；Ed代表沿空留巷直接頂?shù)膹椥阅Ｐ停籬 代表巷內(nèi)底板到老頂?shù)木嚯x；h1老頂回轉(zhuǎn)后接觸矸石的高度；l1代表沿空留巷內(nèi)關(guān)鍵塊體的超前斷裂位置；c 代表沿空留巷的寬度；d 代表巷旁充填材料的寬度；l 代表斷裂塊長(zhǎng)；b 代表巷旁充填材料的高度，m 代表采煤機(jī)割煤的高度。

將該工作面的各參數(shù)代入上式中，得出滿足該工作面支護(hù)效果所要求充填材料的最小強(qiáng)度不得小于5.48 MPa。對(duì)于高水速凝材料而言，當(dāng)其水灰比為1.5∶1.0 時(shí)所得充填材料的強(qiáng)度能夠滿足上述要求。

3 支護(hù)效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文支護(hù)參數(shù)的支護(hù)效果，采用壓力檢測(cè)儀對(duì)頂板及充填體的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。

3.1 頂板壓力變化情況

將壓力檢測(cè)儀每隔30 m 布置于單體柱上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得出如圖1 所示的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

分析圖1 可知，在距離工作面20 m 左右的位置頂板壓力達(dá)到峰值，約為25 MPa；在距離工作面20 m 左右至120 m 左右的位置，頂板壓力處于相對(duì)平穩(wěn)好狀態(tài)，約為21 MPa；在距離工作面120 m 至250 m 的位置范圍內(nèi)，頂板壓力不斷降低，并于距離工作面250 m 處達(dá)到最小值；此后，距離工作面300左右的位置處壓力逐漸趨于穩(wěn)定，并維持在8 MPa左右。

圖1 頂板壓力變化情況

3.2 充填體受力情況

在充填體內(nèi)部埋設(shè)均勻埋設(shè)應(yīng)力計(jì)，并對(duì)不同位置的應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出如圖2 所示的應(yīng)力情況變化曲線。

圖2 充填體應(yīng)力變化情況

如圖2 所示，充填體內(nèi)部的應(yīng)力隨著距離工作面距離的增大而不斷增加，隨著距離工作面80 m 以后充填體內(nèi)壓力逐步趨于穩(wěn)定，且其應(yīng)力最大值不超過(guò)4 MPa。說(shuō)明，隨著工作面頂板的逐步下沉，充填體能夠有效起到壓縮增阻的效果，且充填體可一直保證其完整性。即，證明所設(shè)計(jì)的充填體強(qiáng)度滿足支護(hù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

46309 采用沿空留巷的開(kāi)采技術(shù)，并針對(duì)該工作面的水文、地質(zhì)等條件采用錨桿+H 型鋼帶+網(wǎng)+H梁的支護(hù)方案，并采用高水速凝材料的水灰比為1.5∶1.0 的充填材料對(duì)其沿空留巷進(jìn)行支護(hù)。經(jīng)驗(yàn)證結(jié)果表明，采用本文所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案能夠?qū)ぷ髅嫫鸬搅己玫闹ёo(hù)效果，為提升工作面的安全生產(chǎn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。