沿空留巷技術(shù)探析及應(yīng)用

孫永寧

(棗莊王晁煤礦有限責(zé)任公司,山東棗莊 277518)

沿空留巷技術(shù)探析及應(yīng)用

孫永寧

(棗莊王晁煤礦有限責(zé)任公司,山東棗莊 277518)

本文通過對比沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷以及沿空留巷三種不同的回采巷道布置形式,將影響巷道頂板穩(wěn)定的各主要因素進(jìn)行了深入分析,在實(shí)際工程中通過對沿空留巷巷道支護(hù)技術(shù)的逐步改進(jìn),探索摸索出了一些定性的結(jié)論,提高了沿空留巷在礦井實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。

圍巖 沿空留巷 頂板管理 支護(hù)形式

為了回收傳統(tǒng)采煤方法中留設(shè)的煤柱，采用一定的措施將上一區(qū)段的巷道留給下一個區(qū)段使用，以減少巷道掘進(jìn)，最大限度的回收煤炭資源，不僅使礦井可以有效的緩解接續(xù)壓力，而且對提高企業(yè)綜合效益和延長礦井服務(wù)年限具有廣泛意義。

1 沿空掘巷的圍巖應(yīng)力與變形

工作面沿煤體傾斜方向從采空區(qū)邊緣向煤體深部可分為3個不同的礦壓顯現(xiàn)區(qū)(圖1所示)。

1.1 采空區(qū)邊緣卸載區(qū)

在采場圍巖受采動引起應(yīng)力重新分布過程中，采空區(qū)邊緣處煤體一般會產(chǎn)生較大的變形和破壞，煤體承載能力降低，形成原巖應(yīng)力低的卸載區(qū)，其寬度一般為1～3m。

1.2 支撐壓力顯現(xiàn)區(qū)

采空區(qū)邊緣煤體受采動影響后已基本失去承載能力，上覆巖層支撐壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而形成沿傾斜方向的支撐壓力顯現(xiàn)區(qū)，該區(qū)影響范圍自煤體邊緣起算一般為15～30m，其中支承壓力峰值距煤體邊緣L0max與煤層堅(jiān)固系數(shù)f0、直接頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度Rc、開采深度H、煤層厚度M及煤層傾角a大小有關(guān)，一般為10～20m。

1.3 原巖應(yīng)力區(qū)

在支承壓力達(dá)到峰值以后，隨遠(yuǎn)離煤體邊緣，支承壓力影響逐漸減弱，直至煤體內(nèi)部一定距離轉(zhuǎn)入原巖應(yīng)力狀態(tài)。

沿空掘巷巷道位于采空區(qū)邊緣煤體卸載區(qū)，因而壓力很小，從受力角度來說十分有利于巷道維護(hù)。

2 留窄煤柱沿空掘巷的圍巖應(yīng)力與變形

2.1 當(dāng)留設(shè)的煤柱寬度為1～3m時,巷道位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)

掘巷后，由于窄煤柱基本被壓垮而卸載，引起支承壓力重新分布，結(jié)果可近似認(rèn)為支承壓力分布曲線向煤體深部轉(zhuǎn)移了一段距離。(如圖2所示)。

2.2 當(dāng)煤柱寬度為3～5m時,巷道部分或全部處于應(yīng)力增高區(qū)

掘巷后，在煤柱和巷道支護(hù)共同作用下支承壓力重新分布呈現(xiàn)如圖3所示情形。

圖1 沿煤層傾斜采空區(qū)側(cè)翼煤體的礦壓顯現(xiàn)

由以上分析可知，無論采用大煤柱還是小煤柱沿空掘巷，回采巷道都處在采場三維應(yīng)力場范圍附近，煤柱寬度的改變不僅使煤體邊緣應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，而且使巷道圍巖力學(xué)的狀態(tài)及變形也有所改變，也就勢必會影響到巷道圍巖的穩(wěn)定性。由此可見，留窄煤柱護(hù)巷沿空掘巷實(shí)際上不利于巷道的維護(hù)，而且布置巷道時，若煤柱過小，由于靠采空側(cè)的煤柱受支承力的影響已呈塑形，容易失穩(wěn)，片幫嚴(yán)重；若煤柱過大，則回采巷道布置在壓力增高區(qū)內(nèi)，將使巷道壓力大，支護(hù)困難。

3 沿空留巷的圍巖應(yīng)力與變形

沿空留巷也為無煤柱護(hù)巷，但其圍巖應(yīng)力與變形與沿空掘巷相差很大。沿空留巷從掘進(jìn)到報廢在整個服務(wù)期間圍巖變形大致經(jīng)歷七個階段：第Ⅰ階段—巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形；第Ⅱ階段—掘巷穩(wěn)定后的圍巖流變變形；第Ⅲ階段—在上區(qū)段工作面超前支承壓力作用影響引起的圍巖變形；第Ⅳ階段—工作面后方基本頂巖梁斷裂后回轉(zhuǎn)下沉顯著運(yùn)動引起的巷道圍巖變形；第Ⅴ階段—在老頂觸矸后，隨著采空區(qū)矸石壓實(shí)的過程中引起的圍巖變形；第Ⅵ階段—上工作面回采引起的頂板活動，圍巖將保持一定的流變變形；第Ⅶ階段—受本工作面超前支承壓力作用影響引起的巷道圍巖變形。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ三個階段的圍巖應(yīng)力和變形規(guī)律與沿空掘巷巷道相似，主要區(qū)別在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三個階段。因此，回采引起的采空區(qū)巖石移動是影響沿空留巷圍巖應(yīng)力與變形的主要因素。

以上分析可知，留小煤柱的目的是將巷道與采空區(qū)隔離，防止采空區(qū)的水與有害氣體串入巷道，危及安全生產(chǎn)，但大小不同的煤柱都存在著不同程度的漏風(fēng)現(xiàn)象，實(shí)際上這種護(hù)巷煤柱并不能起到隔離采空區(qū)有害氣體、水等的作用，相反由于窄煤柱在掘進(jìn)和回采動壓作用下煤體會發(fā)生進(jìn)一步受壓而破裂，甚至破碎或坍塌，增大其透氣性，形成連續(xù)漏風(fēng)和為采空區(qū)提供供氧條件，導(dǎo)致自然發(fā)火。

圖2 留窄煤柱(1～3m)沿空掘巷應(yīng)力重新分布示意圖1—掘巷前;2—掘巷后

圖3 留窄煤柱(3～5m)沿空掘巷應(yīng)力重新分布示意圖1—掘巷前;2—掘巷后

4 沿空留巷的地質(zhì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性分析

4.1 直接頂板巖性

目前除大面積懸露的堅(jiān)硬難冒落頂板外，沿空留巷對于各種頂板條件具有廣泛的適應(yīng)性，可適用于中等穩(wěn)定頂板、易冒落、中等冒落程度和緩慢下沉頂板條件。

4.2 底板條件

除底板很軟會對沿空留巷造成很大困難外，一般底板條件均不構(gòu)成制約因素。

4.3 煤層厚度和傾角

煤層厚度和煤層傾角的增大，沿空留巷的維護(hù)難度增大，目前，沿空留巷一般適用于傾角14°以下，頂板較易冒落的薄煤層及厚度在2m以下的中厚煤層。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益

沿空留巷徹底取消了區(qū)段煤柱，可使采區(qū)煤炭回收率提高10-15%；掘進(jìn)率降低25-33%，減少了巷道掘進(jìn)工程量和掘進(jìn)費(fèi)用；煤層頂板壓力充分釋放，頂板長期處于采空區(qū)邊緣的低壓區(qū)，有利于巷道維護(hù)，降低了巷道維護(hù)成本。

因此，沿空留巷與沿空掘巷相比具有更優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

5 沿空留巷的應(yīng)用

5.1 礦井地質(zhì)概況

棗莊王晁煤礦井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，該礦現(xiàn)開采12下煤層，均厚1.25m，其頂板巖性以泥巖為主，均厚2.8m，粉砂巖次之，均厚5.4m，中等冒落頂板；底板直接底為第八層灰?guī)r，均厚2.1m。根據(jù)12下煤回采期間的礦壓觀測，工作面后方0-40米范圍內(nèi)沿空側(cè)頂板壓較強(qiáng)烈，一般情況下，工作面后方10-20米處留巷的頂板下沉量最大，50-60米處以外頂板下沉趨于穩(wěn)定。

5.2 巷道支護(hù)方式及材料的選擇

5.2.1 掘進(jìn)期間巷道受采動影響的圍巖控制

王晁煤礦12下煤回采巷道均沿煤層底板掘進(jìn)。巷道支護(hù)方式為錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù)方式，錨索使巷道圍巖的自我承載能力及抵抗頂板形能力得到提高，同時提高巷幫煤體的支承力，以便減小留巷期間巷旁切頂阻力。

為便于沿空留巷時巷道維護(hù)等工作，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，頂幫均用經(jīng)緯網(wǎng)滿護(hù)。巷道采用EBJ—120TP型綜掘機(jī)開掘，頂板采用Φ18×1800mm螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距為800×1000mm，錨索沿巷道中心線兩側(cè)布置，間排距為1500×3000mm，錨索梁采用1.7米11#工字鋼制作。

5.2.2 回采期間巷道受采動影響的圍巖控制

沿空留巷時采用單體液壓支柱配合工字鋼棚支護(hù)，沿空留巷緊跟工作面端頭支架進(jìn)行。鋼棚采用11#工字鋼加工，棚梁長為3.0米，兩端0.1米處分別焊一個防滑板，棚腿長為2.1米。在平行于工作面末排位置的留巷巷道支設(shè)棚腿，掛竹笆擋矸，背板木楔腰幫，并在金屬棚靠采空區(qū)一側(cè)支設(shè)雙排密集支柱，防止了采空區(qū)破碎矸石竄入留巷段巷道，棚距設(shè)為1米。棚梁上接頂及腰幫的木料，其厚度不得小于100mm。

5.3 回采期間采空區(qū)管理

工作面采用全部垮落法管理頂板。采空區(qū)冒落高度為1.5倍采高左右；當(dāng)局部懸頂或冒落不充分面積小于2×5m2時，采用打密集柱和戧柱加強(qiáng)切頂管理；大于2×5m2時，采用打戧棚、木垛、密集柱加強(qiáng)切頂管理；大面積懸頂不落時，進(jìn)行人工強(qiáng)制放頂。

5.4 支護(hù)效果

巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù)方式與單純使用工字鋼棚支護(hù)在相同生產(chǎn)地質(zhì)條件下相比，頂板下沉量50-150mm，兩幫位移量50-200mm，分別減少了22.2%和39.6%，所留巷道經(jīng)過簡單修復(fù)完全能夠滿足另一工作面使用。

6 結(jié)語

改善采區(qū)巷道受壓變形，除了應(yīng)用加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度的方法以外，采用合理的礦壓控制手段減輕巷道受壓，充分利用圍巖本身的自穩(wěn)能力，迫使巷道載荷轉(zhuǎn)移，達(dá)到減輕受壓的目的；同時加強(qiáng)巷道頂板控制技術(shù)的設(shè)計(jì)和革新，是改善礦井安全生產(chǎn)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的重要途徑，具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1]郭忠平,樊克恭,王立朝.提高復(fù)雜厚煤層放頂煤開采頂煤回收率的研究[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1997.

[2]馬念杰,侯朝炯.采準(zhǔn)巷道礦壓理論與應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1995.

[3]李琰慶.沿空留巷圍巖的失穩(wěn)機(jī)理與控制技術(shù)[J].中國科技論文在線精品論文,2011.