蘭花寶欣煤礦3103工作面沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用

楊 浩

(山西古縣蘭花寶欣煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042405)

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)寶欣煤礦3103工作面位于井田北翼，工作面傾斜長(zhǎng)度150 m，走向長(zhǎng)度710 m，工作面布置平面圖如圖1所示，工作面開(kāi)采3號(hào)煤層，煤層厚度為1.5～1.9 m，平均厚度為1.77 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部不含夾矸，工作面區(qū)域直接頂巖層為泥巖，均厚3.29 m，基本頂巖層為中細(xì)砂巖，均厚3.12 m，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。為提升礦井生產(chǎn)效果，工作面采用沿空留巷技術(shù)，3103軌道運(yùn)輸巷為留巷巷道，本工作面回采后為下區(qū)段3105工作面提供運(yùn)輸服務(wù)，為保障沿空留巷技術(shù)的順利實(shí)施，特進(jìn)行沿空留巷技術(shù)方案設(shè)計(jì)。

圖1 3103工作面布置平面(m)

2 沿空留巷技術(shù)

由于3103工作面開(kāi)采煤層較薄，工作面頂?shù)装鍘r層特征也相對(duì)較好，為充分提高工作面的回采率，特采用無(wú)巷旁充填體沿空留巷技術(shù)[1-3]，在進(jìn)行巷道圍巖控制時(shí)，在巷道掘進(jìn)期間進(jìn)行巷道基本支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，在工作面回采前,進(jìn)一步進(jìn)行支護(hù)形式的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在工作面回采期間,進(jìn)一步對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固，具體巷道圍巖支護(hù)方案中的各項(xiàng)參數(shù)如下：

1) 巷道掘進(jìn)期間支護(hù)方案：3103軌道運(yùn)輸巷道為矩形斷面，斷面尺寸為寬×高=4 500 mm×2 500 mm，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板錨桿采用左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿，規(guī)格為MSGLW-400/20×2000，頂板錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，預(yù)緊力矩不小于300 N·m，頂板錨索采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，規(guī)格為SKP17.8-7/1860，長(zhǎng)度4 250 mm，錨索采用“2-2-2”布置，間排距為2 000 mm×1 000 mm，預(yù)緊力為120 kN；巷道兩幫錨桿采用全螺紋左旋等強(qiáng)錨桿，規(guī)格為MSGLD-335/18×2 000，間排距為700 mm×1 000 mm，預(yù)緊力矩為250 N·m，巷道全斷面采用10號(hào)鐵絲編制的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，巷道錨桿索頂板及兩幫錨桿索之間采用鋼筋梯子梁進(jìn)行連接。

具體3103軌道運(yùn)輸巷道掘進(jìn)期間巷道支護(hù)形式如圖2所示。

2) 工作面回采前加固方案：為保障工作面回采期間頂板的穩(wěn)定，在工作面回采前，在巷道頂板中部補(bǔ)設(shè)一個(gè)單體錨索，錨索規(guī)格為D17.8 mm×4 250 mm，錨索托盤(pán)采用方形托盤(pán)，參數(shù)為300 mm×300 mm×15 mm，補(bǔ)強(qiáng)錨索預(yù)緊力為120 kN；在頂板兩側(cè)距離巷幫400～600 mm的位置超前布置縱向錨索梁，梁長(zhǎng)2.6 m，孔距為2.1 m，配用14號(hào)槽鋼，具體運(yùn)輸軌道巷道頂板錨索加固布置形式如圖3(a)所示；工作面非回采幫在工作面回采前同樣進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，在非回采幫增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)錨索，錨索采用1×7股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，規(guī)格為D17.8 mm×4 250 mm，預(yù)緊力為120 kN；布置兩道走向錨索梁，在每道錨索梁下壓設(shè)三根鋼帶，具體非回采幫的補(bǔ)強(qiáng)加固支護(hù)形式如圖3(b)所示。

圖2 巷道支護(hù)參數(shù)斷面(mm)

圖3 工作面回采前巷道加強(qiáng)支護(hù)形式(mm)

3) 工作面回采期間加固方案：工作面回采期間，巷道回采幫一側(cè)隨著工作面的回采進(jìn)行，上覆巖層會(huì)逐漸垮落，為在回采幫一側(cè)對(duì)頂板形成有效支撐，緊隨工作面順巷布置3排單體液壓支柱，單體支柱超前工作面30 m進(jìn)行施工，其中靠近采空區(qū)的一排采用液壓支柱+工字鋼的組和結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部采用十字鉸接頂梁進(jìn)行連接，支柱底部通過(guò)液壓支柱穿鞋將其連接成一個(gè)整體[4-6]，液壓支柱的排距為600 mm，靠近采空區(qū)一排液壓支柱與巷道中心之間的距離為1 650 mm，支護(hù)形式為一梁一柱；第二排、第三排單體液壓支柱與第一排液壓支柱間的距離為600 mm、2 650 mm，二三排單體液壓支柱通過(guò)一字鉸接頂梁進(jìn)行連接，梁長(zhǎng)1 200 mm，二排和三排單體液壓支柱排距為600 mm，本次臨時(shí)支護(hù)采用的單體液壓支柱型號(hào)為DW25-300/110，單體支柱柱徑為110 mm，在單體柱支設(shè)時(shí)，確保其初撐力大于90 kN，保障支柱的活柱可縮量大于500 mm，具體工作面回采期間的加固支護(hù)布置形式如圖4所示。

圖4 工作面回采期間加固支護(hù)布置示意

另外在工作面回采期間，為防止采空區(qū)的矸石涌入巷道內(nèi)部，對(duì)支護(hù)的單體液壓支柱造成擠壓沖擊，現(xiàn)采用工字鋼+金屬菱形網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫支護(hù)，金屬菱形網(wǎng)的網(wǎng)孔為60 mm×60 mm，尺寸為長(zhǎng)×寬=4.0 m×1.0 m，同時(shí)為防止鉸接頂梁和單體支柱鐵鞋的完整，設(shè)計(jì)工字鋼的支護(hù)高度比巷道高度高出300 mm，并在底部設(shè)置30°的倒角斜面，設(shè)置其與底板之間的間距大于300 mm。

在進(jìn)行采空側(cè)鋪網(wǎng)時(shí)，首先在工作面超前支護(hù)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行回采幫的退錨作業(yè)，隨后將金屬網(wǎng)懸掛在巷道頂部，在工作面回采推過(guò)后將金屬網(wǎng)片放下，同時(shí)再加設(shè)一層金屬網(wǎng)片，新鋪設(shè)的金屬網(wǎng)片采用12號(hào)鐵絲與頂部金屬網(wǎng)片進(jìn)行連接，頂部網(wǎng)片會(huì)擋矸網(wǎng)片搭接500 mm，采用雙絲雙扣，扣距為100 mm；另外在擋矸網(wǎng)鋪設(shè)完畢后，在巷道內(nèi)側(cè)掛設(shè)一道土工布，在土工布上噴涂5 cm厚的化學(xué)柔性材料，以有效阻止向采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)[7-8]。

3 留巷效果分析

在3103軌道運(yùn)輸巷道掘進(jìn)期間、工作面回采前及工作面回采期間，分別進(jìn)行巷道圍巖變形量的觀測(cè)作業(yè)，巷道圍巖變形量觀測(cè)位置為3103軌道運(yùn)輸巷道40～740 m，在進(jìn)行圍巖變形觀測(cè)時(shí)，每間隔10 m布置1組測(cè)點(diǎn)，在每組測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行巷道寬度和高度的測(cè)量作業(yè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果能夠得出巷道在不同時(shí)間下的圍巖變形情況。

根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果將巷道圍巖劃分為三類(lèi)，分別為：

Ⅰ類(lèi)圍巖：正常地段，巷道頂板完整，且無(wú)明顯的下沉、網(wǎng)兜現(xiàn)象；且錨桿索無(wú)拉穿現(xiàn)象；

Ⅱ類(lèi)圍巖：巷道淋水和輕微破碎地段，圍巖表現(xiàn)為較為破碎，且圍巖表面出現(xiàn)凸凹不平現(xiàn)象，巷道存在網(wǎng)兜和冒頂現(xiàn)象；

Ⅲ類(lèi)圍巖：地質(zhì)構(gòu)造和破碎圍巖地段；該區(qū)域圍巖主要受到地質(zhì)環(huán)境變化的影響，致使巷道圍巖變形后表現(xiàn)為臺(tái)階形狀，且存在著錨索被拉斷脫落的現(xiàn)象。

3.1 巷道掘進(jìn)期間

根據(jù)圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，能夠繪制出巷道現(xiàn)有斷面尺寸曲線如圖5所示。

圖5 巷道掘進(jìn)期間斷面尺寸曲線

結(jié)合巷道的地質(zhì)條件及變形特征分析圖5可知，巷道Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)圍巖占到巷道總長(zhǎng)的比例分別為53.6%、31.0%和15.4%。巷道掘進(jìn)期間，在淋水地段和地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域存在著冒頂現(xiàn)象，巷道斷面基本均大于設(shè)計(jì)斷面，圍巖正常段頂?shù)装遄畲笠平繛?00 mm，同樣在淋水和地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域巷道兩幫也存在著超挖現(xiàn)象，圍巖正常段兩幫最大移近量為250 mm，據(jù)此可知，巷道圍巖在該支護(hù)方案下掘進(jìn)期間圍巖變形量相對(duì)合理，可保障圍巖的穩(wěn)定。

3.2 工作面回采期間

在工作面回采期間，持續(xù)對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，持續(xù)監(jiān)測(cè)至工作面回采推進(jìn)400 m，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出頂?shù)装鍘r層在工作面回采期間處于穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装遄畲笠平繛?60 mm，滿足回采巷道的使用要求，故現(xiàn)具體分析工作面回采期間兩幫變形情況，基于監(jiān)測(cè)結(jié)果可繪制出巷道寬度及兩幫收斂曲線圖，如圖6所示。

圖6 巷道寬度及收斂量曲線

分析圖6可知，工作面回采期間，在巷道不同里程處，巷道斷面的收斂值不同。在巷道300～350 m、400～460 m、600～630 m里程處，由于圍巖受到地質(zhì)構(gòu)造的作用，兩幫收斂量較大，最大收斂量達(dá)到1 200 mm，在巷道其他里程處，巷道圍巖未受到地質(zhì)構(gòu)造作用，圍巖屬于Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)圍巖，兩幫最大移近量為550 mm，圍巖變形量滿足回采使用要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)3103工作面的地質(zhì)及開(kāi)采條件，確定工作面采用無(wú)巷旁充填體沿空留巷技術(shù)，基于頂?shù)装鍘r層條件，分別設(shè)計(jì)巷道掘進(jìn)期間、工作面回采前和工作面回采期間的支護(hù)方案，根據(jù)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)圍巖地段圍巖變形量滿足巷道使用要求，Ⅲ類(lèi)圍巖地段圍巖變形量相對(duì)較大，需進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。