郝立賓,楊永康

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

沿空留巷無煤柱開采技術(shù),具有能夠提高采區(qū)回收率,優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng),增加抽采空間和時(shí)間,避免區(qū)段煤柱應(yīng)力集中等優(yōu)點(diǎn),是緩解采掘銜接緊張,實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的有效技術(shù)手段[1]。

李村煤礦是新建大型礦井,開采3#煤層,埋深480 m～850 m,采用大采高綜采一次采全高采煤法。為保證沿空留巷的成功應(yīng)用,在礦井首采工作面進(jìn)行了沿空留巷試驗(yàn)。

1 工作面及留巷段概況

礦井開采二疊紀(jì)下統(tǒng)山西組3#煤,煤厚3.9 m～4.4 m,平均4.2 m。煤層層位穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,屬穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。煤層的上覆巖層,從直接頂至老頂為軟弱—堅(jiān)硬型,再往上為軟弱—堅(jiān)硬型的相間復(fù)合結(jié)構(gòu)[2]。底板自上而下為軟—堅(jiān)硬型,直接底軟弱巖石在水的作用下,易發(fā)生軟化。煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖詳見圖1。頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

首采工作面埋深586 m,可采長度500 m,平均煤厚4.2 m,采用綜采一次采全高采煤法。采用雙U型布置,其中運(yùn)輸巷、進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng),回風(fēng)巷和輔助回風(fēng)巷回風(fēng),工作面運(yùn)輸巷布置皮帶、電氣列車等設(shè)備。在運(yùn)輸巷進(jìn)行沿空留巷試驗(yàn),巷道斷面5.5 m×4.2 m,采用“錨網(wǎng)索”支護(hù)。工作面巷道布置詳見圖2。

圖2 1301綜采工作面巷道布置圖

表1 頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)參數(shù)表

2 留巷設(shè)計(jì)

2.1 巷旁充填體設(shè)計(jì)

采用“分離巖塊法”計(jì)算巷旁充填體所受壓力,該方法理論依據(jù)是巷旁充填體承受實(shí)體煤幫以自然垮落角斷裂形成的自由巖塊的重量,自由巖塊的幾何尺寸與留巷寬度、充填體寬度及采高等參數(shù)有關(guān)[3]。巷旁充填體載荷計(jì)算公式:

式中:q為巷旁充填體載荷,MPa;bB為留巷寬度,取4.5 m;x為充填體寬度,取1.5 m～2.5 m;bC為充填體外側(cè)懸頂距,取0.3 m;γ為自由巖塊密度,取26 kN/m3;h為采高,取4.2 m;α為剪切角,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取26°;θ為煤層傾角,取8°。

當(dāng)充填體寬度為1.5 m～2.5 m之間時(shí),計(jì)算得巷旁充填體所承受的壓強(qiáng)為2.5 MPa～1.7 MPa,動(dòng)載系數(shù)取2,則充填體承受的壓力為8.5 kN/m～7.5 kN/m。

常用的充填材料有混凝土、高水材料、矸石等,其中高水材料具有凝固快、初期強(qiáng)度大、易施工、有一定讓壓特性,本次試驗(yàn)選用高水材料做為充填材料[4]。根據(jù)高水材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)力學(xué)特性(見圖3),考慮一定折減系數(shù)和安全系數(shù),選取水灰比為1.5:1,巷旁充填體寬度為2.5 m,充填體支護(hù)阻力可以達(dá)到20 kN/m左右,滿足留巷要求。

高水材料是充填體的主要材料,為了使充填體成型,并形成三軸受力狀態(tài),使用充填袋、鋼筋網(wǎng)、對拉錨桿輔助,充填體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 高水材料力學(xué)特性曲線

1-充填袋;2-小導(dǎo)管;3-托盤;4-對拉錨桿;5-鋼筋網(wǎng);6-螺帽

2.2 輔助支護(hù)設(shè)計(jì)

巷旁充填體是沿空留巷主要支護(hù)體,為配合施工工藝并加強(qiáng)支護(hù),需要采取輔助支護(hù)。一是對頂板不完好處補(bǔ)打錨索支護(hù);二是在三角區(qū)鋪10 m×10 m聚酯纖維網(wǎng),每刀煤在架前打3根Φ22 m×5.3 m錨索支護(hù);三是在端頭架后架一梁四柱單體柱棚支護(hù),并補(bǔ)打被支架破壞的錨索;四是使用單體柱、圓木配合架前鋪網(wǎng)、打錨索維護(hù)充填體作業(yè)空間[5],詳見圖5、圖6。

圖5 工作面運(yùn)輸巷沿空留巷輔助支護(hù)平面圖

圖6 工作面運(yùn)輸巷沿空留巷輔助支護(hù)剖面圖

3 施工流程

高水材料由甲、乙兩種材料組成,需要分別攪拌和泵送甲乙料漿液,為雙液充填工藝。設(shè)計(jì)推進(jìn)4刀煤即3.2 m充填一模,由于采高達(dá)到4 m以上,為避免充填過程中破袋,采用上下分層施工工藝。具體施工流程如下:

1)架前鋪網(wǎng)、上料、打錨索:在機(jī)頭三角區(qū)架前鋪聚酯纖維網(wǎng),并上木料,每刀煤在架前打三根錨索。

2)采空區(qū)支護(hù):移架后在端頭架后架單體柱棚支護(hù)頂板,并沿設(shè)計(jì)充填體采空區(qū)側(cè)打木點(diǎn)柱,配合架前鋪好的聚酯纖維網(wǎng)擋矸。

3)支模:清理底板,回收上一模支護(hù)單體柱,打下一模外圍單體柱,綁鋼筋網(wǎng)片和橫筋,掛模穿對拉錨桿。

4)攪拌灌漿:在支模的同時(shí)備料至攪拌桶處,攪拌桶加水至設(shè)計(jì)位置,填入物料,添加完畢后攪拌5 min以上,開泵灌漿。

5)收尾工作:灌漿完成后清洗攪拌、泵送設(shè)備及管路,灌漿完成30 min后,預(yù)緊對拉錨桿至150 Nm。

4 留巷效果

對留巷巷道進(jìn)行了礦壓觀測,最終巷寬3.1 m～4.3 m,巷高2.3 m～2.7 m。由于煤體自身強(qiáng)度低,在工作面前方40 m發(fā)生變形,實(shí)體煤幫約為800 mm,頂?shù)装逡平考s為800 mm。工作面后方0 ～20 m處變形量小,20 m～60 m處變形量明顯,60 m以后趨于穩(wěn)定,實(shí)體煤幫約為530 mm,頂?shù)装逡平考s為710 mm。巷道變形量曲線圖見圖7。

通過預(yù)埋在充填體上的液壓枕監(jiān)測,在工作面后方 0～10 m范圍內(nèi),充填體的載荷小于1 MPa;工作面后10 m～20 m范圍內(nèi),充填體的載荷開始急劇增加,最大達(dá)到8.5 MPa;在工作面后方40 m以外,最終穩(wěn)定在7 MPa左右。充填體載荷曲線圖見圖8。

圖7 沿空留巷巷道變形量曲線圖

圖8 沿空留巷充填體載荷曲線圖

5 問題分析與改進(jìn)

從試驗(yàn)結(jié)果看,留巷段礦壓顯現(xiàn)明顯,變形量較大,分析其主要原因如下:

1)工作面埋深大,礦壓大,自推進(jìn)240 m見方來壓時(shí)開始試驗(yàn),來壓強(qiáng)度大。雖然提前在外幫煤墻采取了打幫錨索、噴漿、注漿措施,但由于受煤體自身強(qiáng)度低及斷層帶影響,巷寬很大部分變形為外幫煤墻變形。

2)未使用切頂擋矸支架。在采空區(qū)側(cè)采取打錨索、打柱措施維護(hù)作業(yè)空間,但造成了懸頂面積大,加之墻體寬、強(qiáng)度低,切頂效果差,對留巷產(chǎn)生了負(fù)面影響。

3)未改造端頭架。端頭架長9 m,滯后4 m支模,支架升緊則破壞錨索、錨桿,支架不升緊則懸頂過長且頂不動(dòng)溜,雖然采取了墊木料、廢皮帶措施,仍然造成支模前變形量大。

4)注漿泵設(shè)計(jì)為等量進(jìn)漿,但實(shí)際操作中,甲料比乙料顆粒大,或受潮出現(xiàn)大顆粒,會(huì)出現(xiàn)甲料進(jìn)漿速度慢的問題,造成柔模中高水材料不凝固或強(qiáng)度低。

5)灌漿過程中必須人工及時(shí)調(diào)整柔模,否則出現(xiàn)破袋、成型不好、不接頂問題,柔模強(qiáng)度低,不能大壓力灌漿,墻體初撐力低。

下一步在實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)采取的改進(jìn)措施包括:改造端頭架,減小空頂長度;采用擋矸切頂支架,形成安全的作業(yè)空間;提前切頂卸壓,減小采空區(qū)懸臂長度;調(diào)整支架配套,避免支架破壞頂板原支護(hù);減小水灰比,提高墻體強(qiáng)度,縮小墻體寬度;加強(qiáng)現(xiàn)場施工管理,嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)操作。