中厚煤層無(wú)煤柱開(kāi)采回采巷道支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

＊裴繼鵬

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司 山西 030001）

1.研究無(wú)煤柱開(kāi)采回采巷道支護(hù)意義

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭資源一直是我國(guó)的主要能源供應(yīng)來(lái)源，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要的支持作用。在未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，煤炭將繼續(xù)在我國(guó)的一次能源消費(fèi)中占主導(dǎo)地位。到2060年，我國(guó)至少有一半的能源消耗將來(lái)自煤炭。煤炭生產(chǎn)也集中在大型煤炭基地，占煤炭產(chǎn)量的90%以上。內(nèi)蒙古、新疆、陜西和山西四個(gè)?。▍^(qū)）的煤炭資源總量約占全國(guó)煤炭資源總量的80%，其中大部分來(lái)中厚煤層。煤層的開(kāi)采巷道大都布置在雙巷，巷道之間有8-25m的保護(hù)性煤柱，但這些保護(hù)性煤柱無(wú)法回收，這是造成煤炭資源流失的主要原因。同樣，保護(hù)煤極將導(dǎo)致承受更大的壓力，這是造成某些災(zāi)難的主要原因。因此，迫切需要促進(jìn)無(wú)柱開(kāi)采和研究，創(chuàng)新無(wú)柱開(kāi)采技術(shù)，以提高生產(chǎn)率和回收率，實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

2.沿空巷道支護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

沿空巷道技術(shù)的實(shí)際使用中，空窄煤柱支護(hù)技術(shù)與普通礦支護(hù)技術(shù)相比具有獨(dú)特的特點(diǎn)。在支持過(guò)程中，有必要詳盡參考技術(shù)的特征。實(shí)際應(yīng)用的具體特征如下：如果工作面碳極的狹窄路徑降低了支撐壓力的區(qū)域，則施工人員在掘進(jìn)施工過(guò)程中會(huì)受到不同壓力和總體支撐壓力的影響。在此過(guò)程中，工作面路徑逐漸開(kāi)挖，承載難度將逐漸增加。如果狹窄的煤柱沒(méi)有被完全破壞，則煤柱的內(nèi)部密封性仍然相對(duì)較好。在開(kāi)挖巷道的整個(gè)過(guò)程中都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)力變化。在拆除工作面的過(guò)程中，巷道周?chē)鷰r石的壓力會(huì)發(fā)生很大變化，這時(shí)巷道變形非常明顯，并會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的破壞力。在上部破裂的情況下，煤柱也將被破壞，并且整個(gè)巷頂將變形。

3.無(wú)煤柱沿空巷道支護(hù)技術(shù)

參照對(duì)我國(guó)無(wú)煤柱巷道推進(jìn)的研究，發(fā)現(xiàn)沿空巷道無(wú)煤柱的巷道具有明顯的獨(dú)特的圍巖變形特征。尤其是采掘巷道與其他類(lèi)型的圍巖相比。沿空巷道無(wú)煤柱距離提前90m，明顯變形應(yīng)提前35m。與采礦期間巷道周?chē)鷰r石的影響相比，前者是后者的5-10倍，后者遠(yuǎn)高于實(shí)心煤巷的比例。由于多次開(kāi)采的影響，巷道周?chē)膸r石變形，剛性支撐更加困難。在巷道施工過(guò)程中，沒(méi)有煤的柱巷道受多種開(kāi)采活動(dòng)的影響，圍巖過(guò)于疏松，應(yīng)力分布極為不均勻，變形量很大。支護(hù)和維修困難，修復(fù)率高。此工作面上沿采空區(qū)延伸的巷道屬于周?chē)奶厥鈳r石，應(yīng)力復(fù)雜，應(yīng)變分布不均勻，受開(kāi)采影響更嚴(yán)重，變形也相對(duì)較大。不能使用被動(dòng)支撐方法，例如金屬型鋼棚，梯形棚子和木棚支撐。這種支撐方法抗變形能力差，使無(wú)煤柱的工作面的變形修復(fù)率很高。如果用錨網(wǎng)索支護(hù)，選擇的參數(shù)不符合地下壓力分布規(guī)律巷道上沒(méi)有煤柱的巷道的變形和變形特性，無(wú)法滿足支撐要求。

因此，為了滿足預(yù)期的支護(hù)要求，必須更新這種特殊的無(wú)煤柱巷道支護(hù)技術(shù)：采用高強(qiáng)度螺栓支護(hù)，加固巷道周?chē)膸r石，加強(qiáng)錨固平衡。在施工過(guò)程中，由于頂板在開(kāi)挖之前屬于塑性變形區(qū)域，因此頂板應(yīng)力被破壞，沿空側(cè)幫也變破碎。對(duì)巖體的水平和縱向約束，使得圍巖的雙向力三向力可用于控制節(jié)理面的相對(duì)位移，增加摩擦力并改善不良的地表特性。圍巖確保錨固力達(dá)到最大強(qiáng)度，并為圍巖提供最大的支撐。使用預(yù)緊力使錨桿錨固范圍內(nèi)的煤和巖體形成錨固平衡狀態(tài)，該狀態(tài)可以適當(dāng)變形，從而改善了圍巖的整體穩(wěn)定性；懸臂理論：沿空巷道的沿空巷道側(cè)是自由端和落矸，另外一段不會(huì)產(chǎn)生橫向縱向的位移，是可以轉(zhuǎn)動(dòng)，符合懸臂梁理論，為了保證懸結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度，必須保證頂梁是完整的，具備足夠強(qiáng)的強(qiáng)度，支撐上梁的完整和上覆的巖石層。成為可以特定壓縮變形的更穩(wěn)定的頂梁支撐[1]。

4.巷道破碎兩幫錨固支護(hù)方法

巷道支護(hù)加固處理一般是考慮以前的施工經(jīng)驗(yàn)，錨固支護(hù)參數(shù)的處理也應(yīng)參考以前的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于圍巖的破碎處，不需要全部維護(hù)。為了創(chuàng)建一種能夠支撐重量的更穩(wěn)定的錨固方法，必須使用兩個(gè)錨固網(wǎng)來(lái)加強(qiáng)技術(shù)控制。根據(jù)一定的關(guān)系設(shè)計(jì)高度和厚度，根據(jù)載荷設(shè)計(jì)錨固件的參數(shù)和形狀。為了保證錨固結(jié)構(gòu)能有效適應(yīng)高變形路面，必須根據(jù)幾個(gè)綜合因素設(shè)計(jì)錨固的強(qiáng)度，螺栓長(zhǎng)度和螺栓間距，以免因錨固結(jié)構(gòu)造成的誤差。它可以在不承受兩側(cè)壓力的情況下影響并改善一般的錨固結(jié)構(gòu)。還有一種是在兩幫錨桿支撐的方法?？梢韵葘蓭推扑槊孢M(jìn)行錨固厚度與高度之比大于1:5，然后根據(jù)錨固體的形狀承載能力要求確定與錨相關(guān)的其他參數(shù)[2]。

5.中厚煤層無(wú)煤柱開(kāi)采回采巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

工程概況，62711高瓦斯礦井工作面是某2#煤礦區(qū)的第一個(gè)礦山開(kāi)采工作面，工作面埋在435-687m的深度。2#煤層直接頂板為細(xì)粒砂巖，厚度為4.30-5.44m，平均厚度為5.42m。老頂由砂質(zhì)頁(yè)巖制成，平均厚度為2.52m；直接底是砂質(zhì)泥巖，平均厚度為1.80m，老底碳頁(yè)巖為2.13m厚度?；夭勺呦虻拈L(zhǎng)度為1765m，切眼的長(zhǎng)度為216m。采用了綜合的長(zhǎng)壁回采機(jī)械化采煤方法，整個(gè)頂板采用放頂法進(jìn)行管理。62711工作面的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1

(1)改進(jìn)對(duì)具有恒定阻力和高變形的錨索的支撐

為了更好地支撐62711線路板，使用了具有恒定阻力和高變形的錨索。恒阻變形的錨索垂直于天花板方向排列，共有3排。第一排，第二排和第三排高變形固定強(qiáng)度錨索，距巷道的右側(cè)分別為400mm，1400mm和3100mm。第一排固定強(qiáng)度錨索的相鄰錨索通過(guò)鋼帶W連接（鋼帶W平行于巷道）。大變形恒強(qiáng)錨索的直徑為21.6mm，長(zhǎng)度為8300mm，恒強(qiáng)為500mm，直徑為79mm，恒強(qiáng)值為33±2t，預(yù)緊力不小于28t。

(2)頂板預(yù)裂切縫參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)巖石碎脹特性，通常對(duì)采空區(qū)側(cè)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫爆破，使得爆破切落的巖石對(duì)頂板形成一定程度的支撐，從而實(shí)現(xiàn)改善留巷應(yīng)力環(huán)境的目的。基于類(lèi)似礦井施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合62711工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，將切頂炮孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6000mm，切頂高度為5800mm，切線與水平方向夾角為76°，炮孔間距為500mm。

此外，巷道頂板預(yù)裂爆破采用了雙向聚能破裂技術(shù)。雙向能量管的外徑為41mm，內(nèi)徑為36.6mm，管的長(zhǎng)度為1500mm?；趯?duì)現(xiàn)場(chǎng)各種裝藥的多次觀察，最終確定連續(xù)的4孔爆破，4孔裝藥和每組5孔，其中一孔進(jìn)行觀測(cè)。每個(gè)孔均裝有3個(gè)聚能管，采用3+3+1放藥方式，封孔的長(zhǎng)度為2m。

(3)留巷段支護(hù)及擋矸設(shè)計(jì)

為了有效減少采空區(qū)62711的側(cè)頂板由于格狀頂板的壓縮和摩擦變形而產(chǎn)生的影響，在62711工作面前進(jìn)之后，采空區(qū)巷道的頂板在工作面后方100m處“一梁三柱”。方法是對(duì)巷頂主動(dòng)支撐，并且在同一行中三個(gè)獨(dú)立列的切線。它們到直線的距離分別為200mm、900mm和1900mm。鋼網(wǎng)和工字鋼被放置在喙側(cè)的各個(gè)支柱之間，以防止抓鉤槽口沿采空區(qū)進(jìn)入。一旦工作面后面的路段中的壓力穩(wěn)定，單根柱將隨著時(shí)間的推移而縮回。

(4)應(yīng)用效果

為了了解無(wú)煤柱采煤技術(shù)對(duì)開(kāi)采62711工作面上的頂板壓力的影響，對(duì)距離62711工作面進(jìn)行215m的巷道圍巖的變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。在留巷的215m內(nèi)，巷頂和巷道底部的相對(duì)進(jìn)近的最大值為365.12mm。兩側(cè)的相對(duì)距離為462.14mm。巷道周?chē)鷰r石的變形在允許范圍內(nèi)，整體穩(wěn)定性高，可以滿足下一個(gè)工作面返回時(shí)的再利用要求。

在巷道的整個(gè)使用期間，巷道周?chē)鷰r石的變形具有明顯的分區(qū)特征；在巷道的等待期間，變形在工作面后20-71m之間是嚴(yán)重的。在再利用期間，它類(lèi)似于受軸承應(yīng)力增加影響的正常巷道，并且礦山壓力在工作面前方20m處顯得很?chē)?yán)重。帶鋼中使用工字梁和點(diǎn)錨電纜進(jìn)行支撐。工字梁的變形表明工字梁的變形主要受水平推力的影響，并且變形在所需的變形范圍內(nèi)。錨索的平均阻力約為16t。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，巷道支撐體沒(méi)有變形，表明受力合理。

6.結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，必須通過(guò)錨桿、網(wǎng)、梁和錨索的組合支撐來(lái)支撐沿采空區(qū)沿路掘進(jìn)煤的工作面。沿軸進(jìn)行檢查以確定巷道的安全性。此技術(shù)支護(hù)效果穩(wěn)定，節(jié)省使用成本，提高開(kāi)采速度，降低工程施工的難度，對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。此外，實(shí)際施工中還應(yīng)注意水的治理，瓦斯的防治，提高采煤的整體效率，并采用相應(yīng)的加固技術(shù)在不同地質(zhì)條件下進(jìn)行支護(hù)，以確保工作安全。