朱莊煤礦Ⅲ635工作面切頂留巷防風堵漏技術(shù)研究

張家委,楊敬軒,盧 碩

1.淮北礦業(yè)股份有限公司 朱莊煤礦,安徽 淮北 235047;2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院,江蘇 徐州 221116)

淮北礦業(yè)集團股份有限公司朱莊煤礦坐落于安徽省淮北市杜集區(qū)礦山集鎮(zhèn)境內(nèi),井田面積25 km2,服務年限62年。礦井屬低瓦斯礦井,現(xiàn)核定生產(chǎn)能力220萬t/年,礦區(qū)賦存3、4、5、6四層煤,煤質(zhì)較好。其中,3、4、5煤層受巖漿侵蝕,均不可采。近年來,隨著煤礦生產(chǎn)效率的提高,礦井6煤開采面臨采掘緊張接替問題。通過調(diào)研論證,決定在Ⅲ635工作面實施沿空留巷方案,降低巷道掘進工程量,緩解接替緊張局面。

工作面煤層開采后,覆巖頂板斷裂、垮冒,形成了經(jīng)典的“三帶”分布[1-3]. 根據(jù)工作面沿空留巷施工特點,留巷采空區(qū)側(cè)頂板的斷裂回轉(zhuǎn),冒落矸石垮落、擠壓、碰撞過程中有向巷內(nèi)竄出趨勢,矸石不規(guī)則堆疊,形成了留巷采空側(cè)天然墻體[4-6],孔隙率較大,造成留巷過程中沿空墻體的后續(xù)漏風問題比較突出,必須加強采空區(qū)巷幫的擋矸及密閉設計[7-8]. 為此,針對朱莊煤礦Ⅲ635工作面機巷沿空留巷采空側(cè)漏風問題,提出構(gòu)筑錨注墻體防風堵漏方法,保證沿空巷道的安全留設和長期使用。

1 工作面地質(zhì)概況

朱莊煤礦Ⅲ635工作面所采煤層為6煤,層位屬二疊系下統(tǒng)山西組,煤厚1.7～3.3 m,均厚2.6 m,煤層結(jié)構(gòu)簡單,賦存穩(wěn)定,煤層傾角5°～28°,平均13°. 工作面頂板巖性多為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中細粒砂巖,累計厚度為45～50 m;煤層底板為砂質(zhì)泥巖,中、細粒砂巖,泥巖,累計厚度約51 m,煤層頂?shù)装遒x存條件見表1.

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

工作面煤層絕對瓦斯涌出量8.88 m3/min,屬于低瓦斯礦井。煤層硬度較低,普氏系數(shù)在1.0左右;直接頂硬度普氏系數(shù)為4～5. Ⅲ635工作面走向長度532 m,傾向長度189 m,標高-513～-579 m,是礦井Ⅲ63采區(qū)東翼第3個工作面,上區(qū)段Ⅲ633工作面已開采完畢,下區(qū)段Ⅲ637工作面正在掘進。工作面平面布置關(guān)系見圖1.

1—超前支護區(qū);2—端頭支護區(qū);3—臨時支護區(qū);4—成巷穩(wěn)定區(qū)圖1 工作面平面布置圖

Ⅲ635工作面沿空預留機巷整體狀況良好,無明顯變形,局部頂板較為破碎。該工作面機巷作為切頂留巷對象,計劃服務于下一區(qū)段的Ⅲ637工作面回采。根據(jù)巷道圍巖受力、采場礦壓顯現(xiàn)特點、巷道支護方式及擋矸、補強支護等因素,提出對工作面沿空巷道分區(qū)劃分分區(qū)治理的思路。鑒于常規(guī)的留巷噴漿后期受力復破裂漏風現(xiàn)象,這里主要介紹沿空巷道3區(qū)和4區(qū)范圍的防風堵漏設計及實施效果。

2 沿空留巷防風堵漏設計

工作面沿空巷道端頭支護區(qū)、臨時支護區(qū)范圍內(nèi)的頂板尚未穩(wěn)定,沿空巷道圍巖受力變形顯著,以柔性堵漏設計為主;成巷穩(wěn)定區(qū)的巷道頂板基本穩(wěn)定,礦壓顯現(xiàn)趨于緩和,可以輔助高強度墻體堵漏。

2.1 臨時支護區(qū)堵漏設計

沿空巷道臨時支護區(qū)頂板尚未完全穩(wěn)定,受工作面周期來壓影響明顯。為防止采空區(qū)頂板垮落矸石竄入巷道,有效封閉采空區(qū),防止有害氣體向留巷空間滲漏,設計了“鋼筋網(wǎng)+鐵絲網(wǎng)+風筒布+可伸縮U型鋼”柔固耦合擋矸堵漏結(jié)構(gòu),見圖2.

圖2 柔固耦合擋矸堵漏結(jié)構(gòu)圖

工作面移架后及時支設擋矸金屬網(wǎng)和可伸縮U型鋼,擋矸支護緊跟支架頂梁,滯后距離不大于0.5 m. 金屬網(wǎng)相互搭接組成擋矸金屬網(wǎng),可伸縮U型鋼選用2段長2.5 m的29U型鋼,通過兩副卡纜連接,卡纜上下沿距U型鋼搭接端頭各100 mm,搭接長度不小于1 000 mm,棚間距500 mm,每排1組可伸縮U型鋼,相鄰可伸縮U型鋼架采用拉板(10 mm厚)連接,增加整體穩(wěn)定性,并對留巷幫與U型鋼接觸不充分部位,采用木板背幫。U型鋼外緣不超過機巷頂板第1根錨桿,下扎傾角3°～5°,采用錨桿鎖腿,每組錨桿使用特制穿孔鋼板連接,鎖住U型鋼站柱,鎖腿錨桿距離底板200～500 mm,下扎傾角20°～30°.

采空區(qū)冒落矸石不規(guī)則堆疊,具有膨脹特性,沿空巷道幫部具有向橫向位移趨勢。為防止擋矸U型鋼受側(cè)壓發(fā)生側(cè)傾,U型鋼端頭焊接圓鋼(直徑不大于30 mm),外露150～200 mm,使用時插到切縫孔端部。

單根U型鋼下扎底板深度不小于100 mm,在架設前需要做柱窩,柱窩低于巷道底板300 mm. 需要說明的是,為了提高U型鋼的擋矸效果,破碎頂板區(qū)域的U型鋼端頭焊接圓鋼長度要增加到400 mm,臥底長度也相應增加。

2.2 成巷穩(wěn)定區(qū)堵漏設計

成巷穩(wěn)定區(qū)巷道頂板基本趨于穩(wěn)定,但巷道使用維護時間長,原噴漿涂層受力易破裂漏風。據(jù)此,為保障留巷采空側(cè)矸石墻體的密閉質(zhì)量,提出一種沿空留巷頂?shù)族^注墻體密閉方法,通過向留巷采空側(cè)頂?shù)装宕蛟O錨桿作為墻體固支基礎(chǔ),構(gòu)筑高強混凝土墻體,發(fā)揮優(yōu)越密閉功能,防止采空區(qū)漏風。錨注墻體構(gòu)筑設計見圖3.

1—沿空巷道;2—采空區(qū)矸石;3—錨注墻體;4—頂錨桿;5—底錨桿;6—U型鋼站柱;7—工字鋼站柱;8—鋼筋網(wǎng);9—風筒布;10—鋼筋梯;11—扎絲圖3 沿空巷道頂?shù)族^注墻體構(gòu)筑設計圖

1) 頂?shù)族^注墻體方法。沿留巷采空側(cè)底板挖掘?qū)挾取⑸疃确謩e為0.5 m的溝槽;在溝槽中部位置對稱打設2根錨桿,錨桿端部深入溝槽底部1 m,外露1 m,末端安裝150 mm×150 mm×10 mm的托盤;在對應溝槽錨桿的頂板位置按照相同模式打設2根頂部錨桿;以頂?shù)族^桿為基點,捆扎鋼筋籠,外側(cè)采用11#礦用工字鋼作為主筋骨站柱、鋼筋網(wǎng)為加強筋,內(nèi)側(cè)主筋骨站柱為擋矸U型鋼;朝捆扎完畢的鋼筋籠內(nèi)灌注混凝土。

2) 留巷墻體柔性密閉方法。第一道風筒布鋪設于擋矸支護過程中緊貼于U型鋼站柱的鋼筋網(wǎng)內(nèi)側(cè);第二道風筒布鋪設于鋼筋籠工字鋼站柱側(cè)的鋼筋網(wǎng)內(nèi)側(cè)。兩道柔性風筒布保障采空區(qū)的密實封堵,并有效防止鋼筋籠內(nèi)漿液的溢出。

沿空巷道錨注墻體的構(gòu)筑要充分接頂,墻體厚度600 mm,基礎(chǔ)深度不小于300 mm,并預留防火觀測孔。填充墻內(nèi)分別距U型鋼站柱200 mm、400 mm布置兩道鋼筋網(wǎng)作為墻體加強筋。充填墻澆筑完畢,在外側(cè)墻壁固定槽鋼保持墻體的穩(wěn)定,槽鋼排距1 200 mm,每排固定錨桿3根,間距800 mm.

朱莊礦Ⅲ635工作面采用柔固耦合及頂?shù)装邋^注墻體堵漏設計,取得了較好的防漏風效果。留巷內(nèi)瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,在正常留巷階段瓦斯?jié)舛缺３衷?.8%左右,保證了Ⅲ635工作面機巷的安全留設。

3 小 結(jié)

1) 采空區(qū)冒落矸石自然堆積具有膨脹特性,受上覆巖層重量影響,采空區(qū)堆積矸石壓縮過程中同步產(chǎn)生橫向位移,考慮到冒落矸石的不規(guī)則排列及滲流特點,提出采用“鋼筋網(wǎng)+鐵絲網(wǎng)+風筒布+可伸縮U型鋼”的沿空巷道擋矸支護及密實封堵技術(shù)。

2) 沿空巷道成巷穩(wěn)定區(qū)經(jīng)歷采空區(qū)頂板歷史擾動影響,原巷幫噴漿涂層受力易破裂導致漏風。通過構(gòu)筑沿空巷道頂?shù)族^注墻體,墻體厚度達600 mm,復合鋼筋網(wǎng)骨架強化作用,提高巷道支護強度的同時,起到了較好的沿空墻體密閉效果。