復(fù)雜條件下殘采工作面煤巷掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)

闕啟欽 福建煤電股份有限公司翠屏山煤礦，福建 龍巖 364000

翠屏山煤礦在三十余年的開采過程中，受到地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存、水文地質(zhì)等地質(zhì)因素的干擾以及開采工藝的限制，使得井下多處遺留有煤柱。近年來隨著井下可采儲(chǔ)量的日益枯竭以及開采工藝的改進(jìn)和對(duì)井下地質(zhì)情況的長(zhǎng)期積累，使得借由對(duì)過去回采中遺留殘采工作面的掘進(jìn)回采，以提升煤炭資源利用率和延長(zhǎng)礦井服務(wù)期限成為可能。

1 工程概述

翠屏山煤礦2201 殘采工作面東西南北分別為2203 采空區(qū)煤柱、2203 采空區(qū)、2200 采空區(qū)以及采區(qū)上下山軌道。整個(gè)回采面標(biāo)高為-230m～265m，埋深-340m～-352m。其所采煤層厚度介于2.8m～3.5m 之間，由于部分區(qū)域煤層偏薄，在沿底板進(jìn)行回采時(shí)存在將底板巖層破壞的可能。

此外，鑒于整個(gè)工作面位于72-15-83-6 向斜構(gòu)造的軸部位置，其受到向斜構(gòu)造的影響使得煤層產(chǎn)狀起伏變化極大，不僅傾角不穩(wěn)、頂板存在局部的不平整現(xiàn)象，同時(shí)工作面應(yīng)力集中程度較高，存在大量斷層發(fā)育現(xiàn)象。該工作面在1998 年以對(duì)第一分層進(jìn)行過回采，煤層上部直接頂與偽頂均已垮落，后經(jīng)注漿后固結(jié)形成人工頂板。在進(jìn)行第二分層的回采時(shí)，沿底板作業(yè)，作業(yè)過程中由于上部人工頂板固結(jié)較差，極易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。為充分確?；夭傻捻樌M(jìn)行，提升煤炭利用率，通過全面的分析研究，選用留窄煤柱的掘巷回采技術(shù)進(jìn)行殘采工作面回采。

2 掘進(jìn)巷道變形與支護(hù)問題

2.1 掘進(jìn)巷道變形

伴隨巷道掘進(jìn)回采長(zhǎng)度的不斷增加，巷道圍巖的礦壓顯現(xiàn)亦會(huì)不斷增強(qiáng)，巷道頂板易出現(xiàn)開裂與離層現(xiàn)象。特別是在與斷層相鄰的區(qū)域內(nèi)，巷道變形現(xiàn)象更是極為顯著，頂板下沉的同時(shí)兩幫亦會(huì)發(fā)生內(nèi)移，甚至底板還會(huì)出現(xiàn)底鼓。在實(shí)際回采作業(yè)中，巷道右側(cè)棚腿出現(xiàn)了顯著的內(nèi)凹變形，且發(fā)生顯著的滑移現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)測(cè)局部巷道頂?shù)装迮c兩幫的移近量分別在1300mm 與1200mm 以上。其變形主要特征可歸納為以下三點(diǎn):一是巷道兩側(cè)幫壁內(nèi)移明顯，部分區(qū)段甚至在頂板中央出現(xiàn)尖頂形破壞;二是巷道頂板下沉量相對(duì)較大，局部區(qū)段頂板變?yōu)槠巾敔?三是巷道發(fā)生強(qiáng)烈的底鼓現(xiàn)象，特別是臨近斷層的區(qū)域，底鼓量可占頂?shù)装逡平康钠叱梢陨稀?/p>

在巷道掘進(jìn)作業(yè)初始階段，工作人員僅在巷道頂板布設(shè)了頂板收斂觀測(cè)點(diǎn)。以便對(duì)巷道的頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛窟M(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，巷道在前六天的掘進(jìn)中變形量相對(duì)較大，隨后第七條至第二十五天為過渡階段，巷道變形量逐漸減小，在三十天以后巷道進(jìn)行穩(wěn)定期，兩幫與頂?shù)装寤静辉僮兓?。變形穩(wěn)定后，兩幫收斂量介于50mm～600mm 之間，頂板下沉量與底鼓量分別介于50mm～300mm 之間與100mm～700mm 之間，支架完好率不足五成，這使得確保安全生產(chǎn)有效進(jìn)行的巷道斷面積難以獲得維持。

2.2 掘進(jìn)巷道支護(hù)失效原因

回采工作面煤巷掘進(jìn)過程中，巷道支護(hù)非常困難，巷道圍巖變形嚴(yán)重，支架破損率較高。究其原因主要為六個(gè)方面的因素:其一，煤巷頂板巖層膠結(jié)程度較差，易風(fēng)化與遇水軟化，并且回采巷道受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力影響，頂?shù)装鍘r層較為破碎。其二，巷道圍巖強(qiáng)度較低，巷道頂板為炭質(zhì)泥巖、泥巖，巷道掘進(jìn)中易發(fā)生垮落，煤層及巷道底板泥巖強(qiáng)度均較低，巷道掘進(jìn)后圍巖變形量較大;其三，受構(gòu)造應(yīng)力影響嚴(yán)重，回采巷道區(qū)域處于構(gòu)造應(yīng)力影響帶，加之圍巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，使得圍巖破碎程度高，增加了支護(hù)難度;其四，應(yīng)力集中程度較為顯著，工作面所處區(qū)域?yàn)閺?fù)雜地質(zhì)條件，應(yīng)力集中系數(shù)較高，部分巖體處于工程軟巖狀態(tài)，表現(xiàn)出非線性大變形和流變性，影響巷道支護(hù)效果;其五，圍巖易發(fā)生遇水膨脹。

3 殘采工作面煤巷掘進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)

在充分分析巷道圍巖條件與原支護(hù)方案不足情況下，擬對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì):(1)殘采工作面煤巷掘進(jìn)支護(hù)仍然沿用工字鋼對(duì)棚，型號(hào)為梁×腿=3.0m×2.6m，巷道斷面形式選用正梯形。(2)原掘進(jìn)巷道圍巖變形量較大的原因之一在于支護(hù)的承載能力不足，因此，新支護(hù)中對(duì)巷道頂梁下打設(shè)點(diǎn)柱，增強(qiáng)工字鋼支撐能力，提高支護(hù)穩(wěn)定性。點(diǎn)柱材料選用U 型鋼可縮性點(diǎn)柱，與原先木點(diǎn)樁不同，U 型鋼可縮性點(diǎn)柱具有一定的可縮性，能夠允許工字鋼對(duì)棚有一定的變形，釋放部分圍巖彈性能。U 型鋼可縮性點(diǎn)柱高度設(shè)計(jì)為2.6m，由兩節(jié)1.5m 長(zhǎng)U 型鋼組成，U 型鋼之間連接采用2 個(gè)卡纜，卡纜扭矩控制在200N.m-250N.m 之間;上端與下端各焊接一槽鋼，以擴(kuò)大與定梁與底板的接觸面積，U 型鋼點(diǎn)柱與定梁接觸處可用木楔進(jìn)行背牢。(3)為了避免工字鋼棚架支護(hù)不穩(wěn)定情況出現(xiàn)，設(shè)計(jì)在棚子上安設(shè)撐桿，在距殘采掘進(jìn)工作面10m 范圍內(nèi)全部采用可縮性撐桿進(jìn)行加固。鐵撐桿材料主要為Φ40mm 螺桿、螺帽以及Φ50mm 鐵管，在鋼管內(nèi)安設(shè)彈簧與兩端進(jìn)行鋼板連接，端頭鋼板尺寸為長(zhǎng)×寬×高=60mm ×60mm ×50mm。可縮性鐵撐桿的打設(shè)數(shù)量應(yīng)控制在60 根以上(距掘進(jìn)工作面10m 內(nèi)巷道)，每個(gè)棚架上安設(shè)數(shù)量原則上不少于6 根，頂板、上下幫各兩根，應(yīng)視情況增加鐵撐桿數(shù)量。上下幫鐵撐桿安設(shè)在距頂梁50mm 位置，柱上撐桿打設(shè)位置距頂?shù)装寰嚯x分別為200mm 與300mm，安設(shè)過程中可參考巷道中線位置，鐵撐桿長(zhǎng)度可通過螺絲帽進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 工程支護(hù)效果分析

巷道掘進(jìn)支護(hù)后對(duì)巷道表面位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為40天。將新支護(hù)方案圍巖變形量與原支護(hù)方案變形量進(jìn)行對(duì)比分析，得出，隨支護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，巷道圍巖變形量逐漸增加，到30 天左右變形量趨于穩(wěn)定;但新支護(hù)方案的圍巖變形量明顯小于改變支護(hù)之前，頂板下沉量變化較為明顯，由原先的245mm 下降到175mm，兩幫圍巖變形也得到顯著改善。巷道支護(hù)過程中未出現(xiàn)支架折損、頂板冒落、推棚等不良現(xiàn)象，圍巖變形穩(wěn)定后的巷道斷面達(dá)到安全開采使用要求，綜合分析新方案支護(hù)效果良好。

5 結(jié)語

通過對(duì)殘采工作面所處環(huán)境的勘探可知其地質(zhì)條件極為復(fù)雜，在進(jìn)行掘進(jìn)回采作業(yè)時(shí)僅僅通過傳統(tǒng)的巷道支護(hù)手段多難以達(dá)成對(duì)巷道的安全支護(hù)。往往短時(shí)間內(nèi)就會(huì)導(dǎo)致支架發(fā)生較大的變形，致使巷道斷面積的大幅縮小，從而致使通風(fēng)阻力增大，巷道配風(fēng)困難，對(duì)安全、高效的生產(chǎn)造成威脅。為此，翠屏山煤礦技術(shù)工作者對(duì)傳統(tǒng)煤巷支護(hù)技術(shù)展開深入探究，在工字支架的基礎(chǔ)上通過對(duì)鐵撐桿與可縮性點(diǎn)柱的運(yùn)用，極大地提升了巷道與支架承受圍巖變形的能力，使得礦井支護(hù)效果獲得顯著改善。

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