巷旁支護(hù)材料的試驗(yàn)及應(yīng)用

楊 揚(yáng)

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪煤礦， 山西 太原 030022）

引言

一直以來，提升煤礦生產(chǎn)效率、降低煤礦生產(chǎn)成本以及保證煤礦生產(chǎn)的安全性為煤礦企業(yè)的關(guān)鍵指標(biāo)。在當(dāng)前綜采設(shè)備自動(dòng)化水平已經(jīng)滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的前提下，采煤技術(shù)及工藝的改進(jìn)成為改進(jìn)煤礦生產(chǎn)的主要途徑之一。目前，無煤柱沿空留巷開采技術(shù)在提高煤礦資源的回收率、提升工作面巷道掘進(jìn)效率以及匹配掘進(jìn)與采煤速度的關(guān)系中具有現(xiàn)實(shí)意義[1]。然而，對(duì)于無煤柱沿空留巷開采技術(shù)而言其巷內(nèi)支護(hù)已可滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，而巷旁支護(hù)還存在一定的缺陷，歸其原因在于巷旁支護(hù)材料的選型不合理。本文著重開展巷旁支護(hù)材料的理論試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用效果的相關(guān)研究。

1 工程概況

本文以某煤礦3102 工作面為研究載體，3102工作面目前采用全部垮落法對(duì)其頂板進(jìn)行管理，正在開采的煤層為3 號(hào)煤層，煤層的平均厚度為1.5 m，煤層平均傾角為9°，煤層普氏硬度小于3。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)可知：該工作面瓦斯的絕對(duì)涌出量為0.15 m3/min，瓦斯相對(duì)涌出量為1.9 m3/t。3102 工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 3102 工作面頂?shù)装迩闆r

綜采工作面頂板的垮落類型可分為主動(dòng)垮落和被動(dòng)垮落。對(duì)于3102 工作面而言，其頂板巖層的主要成分為細(xì)砂巖，而其對(duì)應(yīng)底板的主要成分為泥巖和泥質(zhì)砂巖[2]。綜合分析，3102 工作面頂板主要垮落類型為主動(dòng)垮落。因此，對(duì)整個(gè)工作面支護(hù)阻力計(jì)算時(shí)需充分考慮巖層自重載荷的作用。

2 工巷旁支護(hù)材料的試驗(yàn)研究

2.1 工作面沿空留巷的設(shè)計(jì)

基于3102 工作面地質(zhì)、水文以及煤層的條件，該工作面采用綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁前進(jìn)式采煤法，在開采的同時(shí)將工作面上巷和下巷進(jìn)行沿空留巷，工作面頂板采用全部垮落發(fā)管理。3102 工作面的總體布置如圖1 所示。

圖1 3102 工作面的總體布置圖

3102 工作面采用錨桿+金屬網(wǎng)+梁+ 液壓支架對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)；采用錨桿+金屬網(wǎng)+梁對(duì)工作面上巷和下巷進(jìn)行支護(hù)，除此之外，還對(duì)巷道端頭進(jìn)行支護(hù)和超前支護(hù)設(shè)計(jì)[3]。上述為3102 工作面的巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)。本文著重對(duì)巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2.2 巷旁支護(hù)的設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步保證工作面生產(chǎn)的安全性，在上述巷內(nèi)支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)其巷旁進(jìn)行支護(hù)，并提出采用袋+網(wǎng)+栓式矸石帶的巷旁支護(hù)方式。具體支護(hù)形式如下頁圖2 所示。

將矸石裝入塑料編織袋內(nèi)堆放，并采用防護(hù)鋼帶在垂直和水平方向?qū)ρb有矸石的塑料編織袋進(jìn)行緊固，采用錨網(wǎng)進(jìn)行封底封幫操作。結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算確定巷旁充填的平均寬度為1.5 m，充填高度也為1.5 m。

圖2 巷旁支護(hù)示意圖

2.3 巷旁充填材料支護(hù)性能的試驗(yàn)

根據(jù)袋+網(wǎng)+栓式矸石帶的巷旁支護(hù)思路，本文在某實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其支護(hù)性能進(jìn)行模擬，不同的是采用直徑為0.5 mm 的沙子模擬煤粉，采用直徑為10 mm、40 mm 的石子模擬煤矸石。本次試驗(yàn)所采用的核心設(shè)備為YE-2000 液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)所能夠提供的最大負(fù)載為2 000 kN[4]。本節(jié)將對(duì)不同巷旁充填材料組合下對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。

1）沙子填裝量不同的支護(hù)性能。分別對(duì)滿袋、半袋以及2/3 袋填裝量（沙子的直徑為0.5 mm）的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)試驗(yàn)可得：滿袋沙子的最大承載壓力為220 kN，半袋沙子的承載壓力為240 kN，2/3 袋沙子的承載壓力為260 kN；且2/3 袋沙子的最大位移量最小，僅為83 mm，與其對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度最大值為1.38 MP。經(jīng)試驗(yàn)得出：2/3 沙子填裝量的支護(hù)性能最佳。

2）石子填裝量不同的支護(hù)性能。分別對(duì)滿袋、半袋以及2/3 袋填裝量（石子的直徑為0.5 mm）的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)試驗(yàn)可得：當(dāng)石子直徑為10 mm時(shí)滿袋石子的最大承載壓力為230 kN，半袋石子的承載壓力為210 kN，2/3 袋石子的承載壓力為250 kN；當(dāng)石子直徑為40 mm 時(shí)滿袋石子的最大承載壓力為130 kN，半袋石子的承載壓力為240 kN，2/3 袋石子的承載壓力為280 kN。且石子直徑為10 mm時(shí)，2/3 袋石子對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度最大為1.12 MPa；石子直徑為40 mm 時(shí)，2/3 袋石子對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度最大為1.15 MPa。經(jīng)試驗(yàn)得出：石子直徑為40 mm 且裝填狀態(tài)為2/3 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的支護(hù)性能最佳。

3）混合裝料的支護(hù)性能試驗(yàn)。在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)石子與沙子混合裝料的形式下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究得出：當(dāng)沙子質(zhì)量為12.5 kg，石子直徑為40 mm 且為2/3 裝填量時(shí)的抗壓強(qiáng)度最大，其對(duì)應(yīng)的最大承載壓力為285 kN，對(duì)應(yīng)的最大抗壓強(qiáng)度值為1.54 MPa。此外，在上述狀態(tài)下驗(yàn)證不同水分狀態(tài)下的支護(hù)性能可知：當(dāng)水分為1%時(shí)混合填料且2/3 裝填量的最大承載壓力為1 100 kN，最大抗壓強(qiáng)度為5.02 MPa[5]。

3 巷旁支護(hù)方案的應(yīng)用效果

在第2 節(jié)中對(duì)巷旁支護(hù)材料不同組合形式下對(duì)應(yīng)支護(hù)性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將煤粉與煤矸石的混合填料且裝填量為2/3 的充填材料應(yīng)用于實(shí)際的巷旁支護(hù)中，并對(duì)采用常規(guī)充填材料下的支護(hù)效果和采用煤粉與煤矸石混合填料的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比，主要對(duì)頂板底板的移近量和兩幫移近量?jī)身?xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2 所示。

表2 不同巷旁支護(hù)材料的應(yīng)用效果

如表2 所示，采用煤粉與煤矸石充填材料對(duì)巷旁支護(hù)效果優(yōu)于采用常規(guī)充填材料的支護(hù)效果，其中頂板移近量?jī)H為280 mm，兩幫移近量?jī)H為290 mm。

4 結(jié)論

無煤柱沿空留巷采煤由于其煤炭資源回收率高、采掘效率高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，其中巷旁支護(hù)作為該采煤技術(shù)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，本文開展了關(guān)于充填材料的相關(guān)支護(hù)性能試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用效果的研究，具體總結(jié)如下：

1）采用煤粉與煤矸石相混合的填料方式，并采用2/3 填裝量且保證水分為1%時(shí)對(duì)應(yīng)的承載能力和抗壓強(qiáng)度性能最佳，即支護(hù)性能最佳。

2）實(shí)踐表明，采用煤粉與煤矸石為充填材料的支護(hù)方式，其頂板移近量縮小量為350 mm，兩幫移近量的縮小量為353 mm。