閆晉峰,陳憲偉,王慧武,羅厚林,張武濤

(1.潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 常村煤礦,山西 長治 046100;2.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046600;3.陜西開拓建筑科技有限公司,陜西 西安 710054)

隨著煤礦不斷開采,我國煤炭存量越來越少,傳統(tǒng)的留設(shè)保護(hù)煤柱造成的煤炭回收率低、資源浪費(fèi)問題日益突出。沿空留巷具有以下優(yōu)勢:①回收煤柱,延長礦井服務(wù)年限;②降低巷道掘進(jìn)率,減少空頂作業(yè),降低冒頂、片幫幾率,提高礦井安全生產(chǎn)水平;③改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1-3]。目前沿空留巷技術(shù)在我國進(jìn)行了廣泛應(yīng)用,取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。由于各礦井地質(zhì)條件不同,導(dǎo)致沿空留巷巷道圍巖變形各不相同,在埋深較深的礦井,底鼓和幫鼓問題突出,嚴(yán)重影響留巷巷道二次復(fù)用。因此,急需解決巷道底鼓和幫鼓問題,以滿足沿空留巷技術(shù)在深埋深礦井地質(zhì)條件下的進(jìn)一步實(shí)施和推廣。

20世紀(jì)90年代初,國內(nèi)外煤礦生產(chǎn)中主要采用棚式支護(hù),隨著開采復(fù)雜度和困難的加大,棚式支護(hù)被更有優(yōu)勢的新支護(hù)方式取代。個(gè)別大巷以及特殊硐室加固需要,砌碹支護(hù)逐漸被各大礦井所使用,由于其屬于被動(dòng)支護(hù),且施工效率底,勞動(dòng)強(qiáng)度大,現(xiàn)階段使用較少。目前礦井普遍使用的是錨桿支護(hù)形式,該支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù),圍巖控制效果較好,已被廣泛用于煤礦生產(chǎn)支護(hù)和巷道加固。由于單一錨桿支護(hù)形式很難保證圍巖穩(wěn)定性,根據(jù)各種材料性能、使用等特點(diǎn),為滿足不同條件下巷道圍巖穩(wěn)定要求,聯(lián)合支護(hù)形式更好起到支護(hù)效果[4],本文主要是聯(lián)合支護(hù)加固底板和煤幫,達(dá)到控制沿空留巷巷道底鼓和幫鼓的目的。

本文以余吾煤業(yè)N1100綜放工作面回風(fēng)巷柔?；炷裂乜樟粝餅楣こ瘫尘斑M(jìn)行研究,提出底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)措施,并進(jìn)行理論論證與現(xiàn)場工業(yè)性實(shí)踐。

1 工程條件

N1100綜放工作面為余吾煤業(yè)第二個(gè)采用沿空留巷的工作面,井下位置:巷道南接西翼膠帶大巷;北側(cè)為實(shí)體煤;西面為實(shí)體煤;東面為N1100工作面。地面標(biāo)高:+982～+1 084 m;底板標(biāo)高:巷道最高點(diǎn)位于巷道開口處,標(biāo)高+457 m(底板);最低點(diǎn)位于1 599 m處,標(biāo)高為+400 m(底板)。最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高差為57 m;埋藏深度:+531～+545 m.回采3號(hào)煤層,煤層平均厚度6.2 m.直接底:砂質(zhì)泥巖,厚度3.1 m,灰黑色,塊狀,斷口較平坦,含植物化石。老底:細(xì)粒砂巖,厚度13.04 m,灰色,中厚層狀,長石、石英為主,暗色礦物少量,含白云母碎片,垂直裂隙發(fā)育。工作面采用走向長壁、后退式低位放頂煤全部垮落式綜合機(jī)械化采煤法。實(shí)行跟班干部負(fù)責(zé)制管理,“三八制”作業(yè),2個(gè)班生產(chǎn),1個(gè)班檢修,循環(huán)進(jìn)度0.8 m,平均推進(jìn)度3.2 m.工作面切眼斜長332 m,煤層平均厚度6.2 m,工作面采高(3.2±0.1)m,頂煤平均厚度2.4 m,割煤回收率為98%,放煤回收率為93%,一采一放為一個(gè)循環(huán)。

工作面回風(fēng)巷為矩形斷面,沿3號(hào)煤層底板留頂煤進(jìn)行掘進(jìn),一次性掘進(jìn)大斷面寬5.4 m、高3.8 m,斷面面積20.52 m2,采用錨桿(索)金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)。頂板每排7根錨桿,間排距830 mm×900 mm,左、右肩角錨桿均與垂直成20°外斜布置,距巷幫均為210 mm,其他錨桿全部垂直頂板布置;錨索間排距1 660 mm×900 mm,沿巷道前進(jìn)方向按3-2-3布置,全部垂直頂板煤巖面打設(shè)。兩幫各5根錨桿,間排距850 mm×900 mm,幫上部錨桿上斜10°布置,距頂200 mm,幫下部錨桿下斜5°布置,距底200 mm.

沿空留巷總長度1 073 m,巷道頂煤厚度2.4 m.生產(chǎn)班架前鋪網(wǎng)、單元支架圍護(hù)采空區(qū)、待澆筑空間“一梁兩柱”臨時(shí)支護(hù),檢修班在單元支架的圍護(hù)下完成掛模、注模工作。柔模混凝土墻體厚度1 500 mm,留巷寬度3 900 mm.

2 底板加固技術(shù)

結(jié)合N1100綜放工作面回風(fēng)巷地質(zhì)條件以及頂板錨網(wǎng)索理論基礎(chǔ)提出錨索+工字鋼梁+鋼筋網(wǎng)片+混凝土組合加固底板方案[5-7]。

2.1 底板加固參數(shù)設(shè)計(jì)

參考頂板錨網(wǎng)索支護(hù)理論,類比法引用到底板加固技術(shù)中。加固技術(shù)總體思路:在超前工作面留巷區(qū)域的底板(底煤)上利用錨索、工字鋼、鋼筋網(wǎng)片以及混凝土組合支護(hù),鉆孔深入底板堅(jiān)硬巖層1 500 mm,先錨固好錨索,然后依次穿入工字鋼、鋼筋網(wǎng)片,最后澆筑混凝土,與巷道底板形成整體,增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度。參數(shù)設(shè)計(jì)如下:

1) 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)工程條件介紹,留巷巷道直接底為3.1 m的砂質(zhì)泥巖,老底為13.04 m的細(xì)粒砂巖,為堅(jiān)硬巖層,錨固端需在堅(jiān)硬巖層。錨索總長度L包括外露長度0.8 m,直接底均厚3.1 m,錨入老底1.5 m較穩(wěn)定細(xì)粒砂巖中。最終確定:N1100回風(fēng)巷的底板加固錨索支護(hù)總長度L≥5.4 m時(shí),才能達(dá)到有效主動(dòng)支護(hù)的目的。鉆孔直徑:28 mm,深度5 400 mm,錨固長度1 500 mm.

2) 錨索參數(shù)設(shè)計(jì)。錨索形式和規(guī)格:鎖體為D22 mm、1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長度5 400 mm;錨固方式:采用3支K2350低粘度快速樹脂錨固藥卷錨固,錨固長度為1 500 mm;錨索布置:錨索沿巷道前進(jìn)方向按4-4-4布置,排距1 000 mm,間距1 200 mm;錨索預(yù)緊力:250 kN,初次漲拉實(shí)現(xiàn)超漲拉,漲拉至300 kN;錨固力要求達(dá)到600 kN;錨索角度:全部垂直底板巖面打設(shè);錨索配件:錨索托盤為300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)度蝶形托盤,配套高強(qiáng)度可調(diào)心球墊、鎖具。

3) 工字鋼參數(shù)設(shè)計(jì)。采用11號(hào)礦用工字鋼,長度3 700 mm,每根工字鋼打4個(gè)孔,孔直徑24 mm,兩端距離50 mm開始打孔,間距1 200 mm.

4) 鋼筋網(wǎng)片參數(shù)設(shè)計(jì)。采用D6.5 mm鋼筋編制網(wǎng)片,網(wǎng)格50 mm×50 mm,3 900 mm×1 000 mm(長×寬)。

5) 混凝土參數(shù)設(shè)計(jì)。采用與澆筑柔模相同標(biāo)號(hào)的混凝土C50,混凝土澆筑厚度200 mm.底板加固支護(hù)施工平剖面如圖1、圖2所示。

圖1 底板加固斷面(單位:mm)

圖2 底板加固平面(單位:mm)

2.2 底板加固技術(shù)施工流程

底板加固技術(shù)的施工流程為:①將工字鋼對(duì)應(yīng)穿錨索位置打孔;②通過鉆機(jī)打孔將錨索錨固到底板堅(jiān)硬巖層;③把打好孔的工字鋼穿到錨索上,再鋪上1層D6.5 mm鋼筋網(wǎng)上托盤施加預(yù)緊力;④打設(shè)200 mm厚C50混凝土。

3 留巷巷道煤幫加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

為解決N1100工作面留巷巷道煤幫幫鼓量較大的情況,特提出N1100工作面留巷巷道煤幫加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì),減少煤幫幫鼓量。

3.1 煤幫極限平衡區(qū)計(jì)算

根據(jù)回采巷道煤體荷載傳遞機(jī)理及其極限平衡區(qū)的理論研究可知[8-10]:巷道開挖后,兩幫煤體應(yīng)力重新分布。在無支護(hù)的情況下,由煤體邊緣向里依次形成煤幫破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。其中,煤幫破裂區(qū)和塑性區(qū)的煤體處于應(yīng)力極限平衡狀態(tài)。由于煤體的泊松比較頂?shù)装鍘r石大,煤層與頂?shù)装鍘r石界面上的粘聚力C0和內(nèi)摩擦角φ0較兩幫煤體的偏低,極限平衡區(qū)的煤體趨于從頂?shù)装鍘r石中擠出,當(dāng)煤體從頂?shù)装鍘r層間擠出時(shí),煤層界面應(yīng)力應(yīng)該滿足應(yīng)力極限平衡條件:

式中:x0為應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度;C0、φ0分別為煤層與頂?shù)装褰唤缑娴恼尘哿蛢?nèi)摩擦角,取0.4 MPa、37°;Px為錨桿對(duì)煤幫的支護(hù)強(qiáng)度,取229.9 kN/m2;A為側(cè)壓系數(shù),取0.4;M為有效采高,取6.1 m;γ為上覆巖層平均容重,取25 kN/m3;k為應(yīng)力集中系數(shù),取2;H為開采深度,取533 m.

通過計(jì)算得出,應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度為4.8 m,煤幫錨桿長2.4 m,處于破碎區(qū)域,支護(hù)無效,因此需要對(duì)煤幫進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),防止N1100工作面留巷巷道煤幫出現(xiàn)幫鼓量大的現(xiàn)象。

3.2 巷幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

由3.1節(jié)計(jì)算出的極限應(yīng)力平衡區(qū)寬度為4.8 m,煤幫補(bǔ)打錨索長度不小于4.8 m才能保證支護(hù)有效,考慮到錨索錨固長度和外露長度,確定補(bǔ)打錨索長度為6 m.具體錨索打設(shè)方案如下:

1) 當(dāng)巷高不超過4 m,在煤幫中上部補(bǔ)打1根錨索,錨索直徑為22 mm,長度6 000 mm,具體打設(shè)如圖3所示。

圖3 巷高小于4 m時(shí)補(bǔ)打錨索橫斷面(單位:mm)

2) 當(dāng)巷高大于4 m小于5 m時(shí),錨索布置方式為“二一二一”,錨索直徑為22 mm,長度6 000 mm,具體打設(shè)如圖4所示。

圖4 巷高大于4 m小于5 m時(shí)補(bǔ)打錨索橫斷面(單位:mm)

4 效果考察

N1100工作面回風(fēng)巷留巷全長約1 073 m,超前切眼300 m內(nèi)未采取底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)措施,300～1 073 m嚴(yán)格按照底板加固技術(shù)方案和煤幫補(bǔ)強(qiáng)措施進(jìn)行支護(hù),在兩段分別進(jìn)行了沿空巷道位移收斂變形監(jiān)測,1號(hào)測點(diǎn)是未進(jìn)行底板加固和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)(距切眼300 m)、2號(hào)測點(diǎn)是已經(jīng)嚴(yán)格按照底板加固和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行施工(距切眼700 m),圍巖收斂數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖5、圖6.

圖5 1號(hào)測點(diǎn)圍巖收斂變形監(jiān)測

圖6 2號(hào)測點(diǎn)圍巖收斂變形監(jiān)測

通過圍巖收斂變形監(jiān)測對(duì)比得出:初期在沒有進(jìn)行底板加固和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的范圍內(nèi),圍巖收斂變形主要表現(xiàn)為底鼓,幫鼓次之,底鼓量達(dá)到1 206 mm,幫鼓量達(dá)到846 mm,其他兩項(xiàng)變化量在可控范圍內(nèi);后階段通過底板加固和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),底鼓量控制在280 mm范圍內(nèi),幫鼓量控制在120 mm左右,完全滿足巷道后期復(fù)用要求。實(shí)踐證明,余吾煤業(yè)N1100工作面采用底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)措施技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)合理,達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 語

1) 余吾煤業(yè)N1100工作面回風(fēng)巷300～1 073 m段實(shí)施底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施,通過設(shè)置圍巖變形監(jiān)測點(diǎn),收集并分析圍巖監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,采用底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施后,沿空留巷巷道圍巖變形均有所改善,最多可減少變形量77%,表明底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施能有效控制圍巖變形。

2) 底板加固技術(shù)和煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施作為改善沿空巷道圍巖變形輔助手段,根據(jù)沿空留巷工作面地質(zhì)條件以及來壓情況確定合理的技術(shù)參數(shù),并嚴(yán)格按照技術(shù)參數(shù)施工,確保留巷巷道變形在可控范圍內(nèi),為下個(gè)工作面開采復(fù)用提供保障。同時(shí)可以為其他類似條件礦井減少沿空留巷巷道變形提供充分的技術(shù)支持。