三交河煤礦沿空留巷礦壓顯現規律及門架回撤工藝研究

原明帥

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤礦, 山西 洪洞 041600)

沿空留巷技術是煤炭行業綠色開采的重要推廣技術之一,對消除上隅角瓦斯積聚、緩和采掘關系、提高煤炭回收率有積極意義[1-2]. 10-207綜采工作面是三交河煤礦實施沿空留巷技術的首個工作面,由于各地煤礦地質條件、工作面布置等差異較大,沿空留巷礦壓監測規律和回撤工藝工序可供參考的經驗相對較少。因此針對礦井10-2072巷留巷期間的支護方式、礦壓顯現規律進行了分析、總結,研究不同階段的礦壓規律,從而優化巷道支護方式,確定留巷段門架前移的工藝工序,實現工作面安全生產。

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

10-207工作面走向回采長度為963 m,傾向長度為223 m,支設液壓支架150架。工作面推進98.5 m后回撤機尾的3架支架,并在10-2090巷處開始留10-2072巷,留巷長度850 m. 10-207工作面布置圖見圖1.

圖1 10-207工作面布置

相鄰工作面10-209小于10-207工作面,因此在留巷前25 m的非采煤幫側提前切頂,確保采空區及時垮落。10-207工作面推進期間,147#支架架后采空區沿副巷回采幫切縫孔垮落。

1.2 巷道支護形式

頂錨桿選用φ20 mm×2 000 mm的高強錨桿,第一排錨桿“六·六”布置,間距800 mm,第二排錨桿施工4根,即“一·三·四·六”施工錨桿,“二·五”施工錨索,排距1 200 mm,錨索采用1×7結構的φ21.6 mm×7 200 mm鋼絞線;并采用1×19結構的φ21.8 mm×8 200 mm鋼絞線補強支護,“三·一·三”布置,間排距1 200 mm×1 200 mm. 10-2072巷斷面支護俯視圖見圖2.

圖2 10-2072巷斷面支護俯視

2 留巷段支護工藝

2.1 大斷面支護段

該區域位于10-2072巷與10-2090巷交叉口,斷面較大,且處于留巷初始位置,切頂爆破后采空區頂板垮落相對滯后,考慮頂板主要是砂巖,頂板來壓強度相對明顯,故工作面推進至此,留下兩架支架支護大斷面處頂板,并采用“一梁三柱”、間排距“800 mm×800 mm”補強支護在采空區側幫部,且1#—10#門架不回撤繼續支護頂板。交叉sss口大斷面支護示意圖見圖3.

圖3 交叉口大斷面支護示意

2.2 正常支護段

根據巷道受采動影響的不同,將工作面影響范圍劃分為3區:超前支護區、臨時支護區、成巷穩定區。10-2072巷采動影響分布圖見圖4.

圖4 10-2072巷采動影響分布

1) 超前支護區。根據超前支護經驗,該區段位于副巷超前20 m范圍,采用單體柱配合π梁、“一梁三柱”進行支護,排距1 m,支護范圍20 m.

2) 臨時支護區。該區段位于工作面回采機尾,一般滯后支架切頂線200 m范圍,工作面開采后,采空區上覆巖層出現折斷、冒落等運動過程,距工作面較近的留巷區域,巖層運動劇烈,采用門式支架進行臨時支護。在礦壓作用下,可以在切頂面形成較高的剪應力,有利于封孔段巖層剪切破斷,同時有效控制留巷頂板下沉。因此,在頂板原有錨桿、錨索支護條件下,采用ZLQ4600/20/38.5型門式支架作為臨時支護,支設排距1 700 mm.

為了防止采空區的矸石躥入采空區,采用可伸縮29U型鋼聯合金屬網、風筒布聯合擋矸支護。

3) 成巷穩定區。切頂后采空區逐漸壓實、壓力穩定,在擋矸裝置影響下形成巷幫。隨著工作面的推進,該區域受采動影響減小,頂板下沉量、門式支架受力變化很小,留巷區域頂板趨于穩定狀態,可將門式支架有序回撤。

3 礦壓規律

3.1 超前支護區

根據同類型巷道超前動壓影響范圍的經驗,工作面推進期間,超前20 m范圍會受到超前動壓的影響,因此根據礦壓顯現規律判斷現超前支護方式下的穩定狀態,進而優化該范圍內的支護方式。

21#頂板離層儀、測力計、位移計數據(圖5)顯示,超前支護段頂板無明顯變化,無壓力顯現現象(一般過切頂線,到達留巷位置后頂板有壓力顯現),可對超前支護段支護方式進行優化。優化前采用“一梁三柱”的支護方式,排距1 m,支護距離20 m. 優化后采用“一梁兩柱”的支護方式,排距2 m,支護距離20 m.

圖5 21#測點礦壓規律

18#離層儀、測力計、位移計數據(圖6)顯示,優化后超前支護段無明顯壓力顯現,說明支護強度能夠滿足要求。根據礦壓監測情況,可進一步優化為“一梁兩柱”,排距4 m,支護距離20 m.

圖6 18#測點礦壓規律

3.2 臨時支護區

隨著工作面的推進,支架不斷前移,支架后方的采空區出現不同程度的垮落,在矸石重新壓實的平衡過程中,會出現頂板下沉、圍巖破碎等壓力顯現特征,并向周圍煤巖體進行傳遞。根據現場切頂效果,10-2072巷定向預裂爆破后,縮短了頂板懸臂梁的長度,削弱了采空區頂板垮落對留巷的擾動影響。10-2072巷頂板較硬,頂板的完整性較好,在留巷期間頂板會出現懸臂梁結構,207采空區側頂板較209煤壁側頂板下沉明顯。

根據數據顯示,130#門架處頂板下沉變化量最大、活動最為強烈,為進一步總結留巷段穩定范圍和規律,選取130#門架活柱縮量變化情況確定留巷區域的頂板變化規律。130#門架活柱縮量變化量曲線見圖7.

圖7 130#門架活柱縮量變化量曲線

130#門架于2023年5月20日支設,2023年8月1日移架,支護時間73 d. 支護滯后切頂線195 m時相鄰門架回撤,滯后265 m時本架回撤,頂底板移近量207采空區側為256 mm、209煤壁側為160 mm.

工作面推進期間,依據門架活柱縮量對照頂底板移近速率(圖8),將留巷區的壓力變化分為5個階段,具體如下:

圖8 130#門架活柱縮量變化速率曲線

1) 第一階段:壓力初始顯現區。此階段滯后切頂線15 m范圍,采空區頂板相對完整,在自身承載能力下未能及時垮落,仍為相對穩定的砌體梁結構,但因懸頂面積較大,受后方采空區壓力影響,留巷段開始出現壓力顯現,即為頂板壓力進入初次顯現階段,門架立柱壓力由15 MPa逐漸變大達到安全閥開啟值38 MPa左右,頂底板移近速率1～3 mm/d,一般持續5～6 d.

2) 第二階段:壓力劇增區。此階段滯后切頂線15～80 m,隨著支架不斷前移,架后的采空區頂板在自重、周期來壓等作用下,由下而上逐層垮落,當直接頂垮落后能充滿采空區時,基本頂可以暫時形成砌體結構,壓力相對穩定;在直接頂垮落后無法充滿采空區時,基本頂會斷裂垮落,直至充滿采空區。在垮落的碎石塊由于自身的碎脹性逐漸充填采空區的過程中,形成砌體結構的頂板未受到支撐力,留巷頂板來壓強度急劇增大,單位距離的頂板下沉變形量、下沉速率也明顯增大,門架立柱安全閥開啟,工作阻力穩定在38 MPa左右,頂底板移近速率4～15 mm/d,一般推進7～20 d.

局部段頂板垮落及時,緊跟支架,留巷段壓力無初始顯現區,直接進入壓力劇增區。以21#門架支護區域為例(圖9),工作面直接頂為砂巖,頂板垮落后有大塊矸石且充填不實,且易沖擊頂擊擋矸裝置,采用輔助擋矸裝置(圖10)對U型鋼進行補強支護,能有效防止竄矸。

圖9 21#門架活柱縮量變化速率-時間曲線

圖10 輔助擋矸裝置支護示意

3) 第三階段:壓力增長趨緩區。此階段滯后切頂線80～120 m,采空區矸石充填后處于逐漸壓實階段,壓實的過程中會對上方頂板產生支撐力,形成下沉頂板與采空區矸石的動態平衡狀態,該階段來壓強度有所降低,傳遞至留巷區段后頂板下沉速率放緩,頂底板移近速率4～8 mm/d,一般推進21～33 d.

4) 第四階段:壓力穩定區。此階段滯后切頂線120～195 m,采空區的矸石基本壓實,上方頂板形成相對穩定的結構,在對上覆巖層進行有效支撐期間,頂板會產生整體彎曲下沉,同時向留巷進行壓力傳遞,但此階段下沉量及下沉速度均較小,頂底板移近速率0～2 mm/d,一般推進34～54 d,隨后也會趨于穩定,不再變化。

5) 第五階段:壓力觀測區。此階段滯后切頂線195～265 m,在滯后195 m后門架支護區域已穩定,可進行間隔有序回撤,回撤鄰架時,頂板會出現較為明顯的下沉速率2～4 mm/d,2天后趨于穩定,頂底板移近速率0～2 mm/d,推進55～73 d完全穩定,回撤本架。

4 回撤工藝工序

4.1 回撤工藝

10-2072巷共支設135架門式支架,1#—10#架長期支護不回撤,需對125架門架進行回撤前移。根據礦壓監測規律及回撤工藝要求,現場有序組織兩次回撤。回撤工藝基本情況見表1.

表1 門式支架回撤工藝基本情況

根據兩次回撤數據可知:第一循環回撤11#到89#門架區間79架,一次回撤的門架支護天數75～48 d;二次回撤的門架支護天數為92～73 d. 第二循環回撤90#到85#門架區間80架,一次回撤的門架支護天數72～46 d;二次回撤的門架支護天數為91～64 d.

因此,后期按80架一循環進行回撤,一次回撤前門架支護時間至少在60 d以上。

4.2 回撤工序

隨著工作面繼續推進,當巷道距工作面較遠時,頂板運動基本會趨于穩定,進入成巷穩定區,一般該區域在架后200 m,根據支護區域門架活柱縮量或頂底板移近量變化規律,可對門架進行有序回撤。根據礦壓顯現情況,回撤工藝分為3個區:不回撤區、回撤區、觀測區,分4個階段:門架支護階段、一次回撤階段、二次回撤階段、留巷效果觀測階段。

1) 門架支護階段(不回撤區)。根據留巷臨時支護區礦壓顯現規律,門架不回撤區先后經歷壓力初始顯現、壓力劇增、壓力增長趨緩、壓力穩定階段,在滯后切頂線195 m,壓力趨于穩定后具備一次回撤條件。

2) 一次回撤階段(回撤區)。10-2072巷留巷245 m時,門式支架支設131架。隨著工作面繼續推進,前部巷道頂板運動基本趨于穩定,在該區域的門式支架可以有序回撤。

根據門式支架活柱縮量變化規律(圖11)可知,巷道一周內頂底板移近量基本控制在2 mm/d以內,可對已支護門式支架進行分批、有計劃地回撤。

圖11 單數門架活柱縮量變化速率曲線

為確保留巷段頂板支護強度,從11#門架開始(11#門架與131#門架間距195 m),采用“隔一排撤一排”的方式,先回撤11、13…單數架,待回撤區穩定后,再逐步回撤12、14…雙數門架。

3) 二次回撤階段(回撤區)。單數架回撤后,處于上述門架壓力變化的第五階段,相鄰雙數架活柱縮量(圖12)出現2～4 mm/d的下沉量,2天后下沉速率在2 mm/d以內,一周內數據變化穩定,可對已回撤單數架的區域有序回撤雙數架。

圖12 雙數門架活柱縮量變化速率曲線

為確保回撤雙數架后留巷段的支護強度,采用支設“一梁五柱”的方式在距U型棚0.6 m的位置支設單體柱。

4) 留巷效果觀測階段(觀測區)。雙數門架回撤完畢后,為確保留巷效果,采用頂底板位移計觀測移近量。選取11#監測點,相鄰26#門架6月15日移架,截止8月14日,無門架支護的60天內207側頂底板移近量為14.3 mm、209側移近量為8.8 mm;18#監測點,相鄰78#門架7月2日移架,截止8月31日,無門架支護的60天內207側頂底板移近量為18.7 mm、209側移近量為11.7 mm,并逐漸趨于穩定,留巷效果較好。11#測點頂底板移近量變化曲線圖見圖13.

圖13 11#測點頂底板移近量變化曲線

5 結 論

1) 切頂留巷前巷道采用恒阻錨索補強支護,工作面推進期間,可根據礦壓監測,優化超前支護方式。

2) 門架臨時支護區域頂板呈現懸臂梁結構,207采空區側頂板較209煤壁側頂板下沉明顯,留巷期間必須重點加強采空區側的頂板支護。

3) 留巷段礦壓變化分為5個階段:壓力初始顯現區、壓力劇增區、壓力增長趨緩區、壓力穩定區、壓力觀測區,根據不同階段的礦壓規律可對留巷段采取補強支護措施或在壓力穩定后組織門架回撤。

4) 門架支護80組一循環,分兩次進行間隔回撤,根據壓力變化分為3個區域、4個階段:不回撤區(門架支護階段)、回撤區(一次回撤階段、二次回撤階段)、觀測區(留巷效果觀測階段),該循環下回撤可有效控制頂板。