軟弱頂?shù)装迕簩訜o(wú)巷旁充填沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：針對(duì)百色煤田具體工程地質(zhì)條件，根據(jù)沿空留巷巷道圍巖的受力特點(diǎn)，提出了煤礦軟弱頂、底板條件下的無(wú)巷旁充填沿空留巷技術(shù)方法，設(shè)計(jì)和應(yīng)用了“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網(wǎng)”與“半梁?jiǎn)沃^棚支護(hù)結(jié)構(gòu)”，為提高煤炭資源的回收率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限探索了有效的方法。

關(guān)鍵詞：軟巖 無(wú)巷旁充填 沿空留巷

1、引言

沿空留巷技術(shù)具有可有效降低巷道掘進(jìn)量、大幅度減少煤柱留設(shè)、快速降低生產(chǎn)成本及增加生產(chǎn)連續(xù)性等顯著優(yōu)點(diǎn)，成為了各大礦區(qū)提高資源采出率的重要技術(shù)手段。在煤炭資源相對(duì)匱乏的南方煤礦提高煤炭回采率更是具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要在留巷位置上覆巖層移動(dòng)規(guī)律、巷旁工作阻力、巷內(nèi)支護(hù)及巷旁支護(hù)等方面進(jìn)行了較為深入的研究，取得了諸多成果。

作者根據(jù)百色礦區(qū)實(shí)際情況，針對(duì)沿空巷道復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，系統(tǒng)地研究了爆破預(yù)裂切頂技術(shù)，提出了綜采工作面切頂沿空留巷技術(shù)，采用了“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網(wǎng)”與“半梁?jiǎn)沃^棚支護(hù)結(jié)構(gòu)”的支護(hù)形式，實(shí)現(xiàn)了以預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索為二次支護(hù)型式的綜合控制技術(shù)，改善了沿空巷道的圍巖應(yīng)力環(huán)境。

2、程概況

百色百礦集團(tuán)有限公司東懷煤礦25D04工作面是五采區(qū)D煤第四個(gè)采煤工作面，工作面位于二水平南側(cè)，東至工作面25D05采空區(qū)，西至25D03未采工作面，南至F4斷層，北至五采區(qū)三條下山由南向北依次D煤層皮帶下山、C煤層行人下山、D煤層軌道下山。煤層約1.6～2.0米，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中上部夾一層炭質(zhì)泥巖或泥巖，厚約1米左右。煤層走向NE20---NW70°，傾向NE，傾角6-13°，平均為9°。工作面傾斜長(zhǎng)度為150米，走向長(zhǎng)度為1180米。巷道布置如圖1所示：

煤層頂板及偽頂易脫落，直接底遇水變軟，頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

3、沿空留巷頂板活動(dòng)規(guī)律及以往沿空留巷方法

3.1 前人對(duì)沿空留巷頂板活動(dòng)規(guī)律的研究

錢(qián)鳴高等[1]提出了采場(chǎng)上覆巖層的“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、“關(guān)鍵層”理論等，詳細(xì)闡述了覆巖中的厚硬巖層所承受的載荷及變形破壞規(guī)律。宋振騏[2]提出了“傳遞巖梁”力學(xué)模型，認(rèn)為破斷巖梁始終能向煤壁前方及采空區(qū)矸石傳遞作用力，支架與巖梁間的相互作用存在“給定變形”和“限定變形”2種工作方式。

孫恒虎等[3]通過(guò)相似材料模擬試驗(yàn)探究了沿空留巷圍巖活動(dòng)的前期和后期規(guī)律，提出了前期支護(hù)以“頂”為主、后期支護(hù)以“讓”為主的圍巖控制理念。

3.2 以往采用的沿空留巷方法及存在的問(wèn)題

巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)：金屬棚架支護(hù)或木棚被動(dòng)支護(hù)。該種支護(hù)較為被動(dòng)，支護(hù)強(qiáng)度低，所需材料較多，支護(hù)體破壞較嚴(yán)重，后期維護(hù)工作量較大。而單純的錨桿支護(hù)無(wú)法控制頂板冒落區(qū)矸石竄入巷道內(nèi)。使用順巷道方向的縱向棚架時(shí)，由于軟弱頂板沿棚架切頂后需保留的頂板容易風(fēng)化破碎，導(dǎo)致支護(hù)體失去支撐點(diǎn)而支護(hù)失效。

巷旁支護(hù)技術(shù)：采用木垛、密集支柱、矸石帶、人造砌塊、高水速凝材料、膏體材料等材料沿需留巷旁側(cè)構(gòu)筑支護(hù)體，達(dá)到切斷不需支護(hù)的頂板、支撐留巷頂板、隔離采空區(qū)碎石，從而保留需使用的巷道。該支護(hù)方式基本也是被動(dòng)支護(hù)，雖然可獲得較大的支撐力，但工藝較復(fù)雜，成本高，工效低，往往趕不上綜合采煤的速度。

4、無(wú)巷旁充填沿空留巷技術(shù)方法

4.1 技術(shù)原理及要求

本技術(shù)針對(duì)沿空留巷頂板活動(dòng)規(guī)律，一方面要盡量減小老頂對(duì)留巷頂板的壓力；另一方面，要使支護(hù)體有足夠的初撐力對(duì)頂板進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，維護(hù)頂板的完整性；第三方面，要有一定的讓壓，從而發(fā)揮頂板和邊幫煤體自身的支撐力；第四方面，還要對(duì)冒落區(qū)矸石有效隔阻，保存留巷足夠的使用空間。

4.2爆破預(yù)裂切頂技術(shù)

爆破預(yù)裂切頂卸壓目的是頂板老頂來(lái)壓之前盡可能充填滿巷道采空區(qū)和切斷巷道頂板與采空區(qū)頂板的聯(lián)系，避免采空區(qū)頂板老頂來(lái)壓時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)力沖擊和頂板扭曲變形下沉聯(lián)動(dòng)破壞留巷頂板。切頂卸壓沿空留巷力學(xué)機(jī)理是通過(guò)預(yù)裂爆破后的預(yù)裂弱面改變了沿空巷道上覆懸伸頂板巖體的結(jié)構(gòu)，引起巖層移動(dòng)規(guī)律發(fā)生相應(yīng)的改變；在采場(chǎng)頂板周期來(lái)壓作用下，懸伸巖層在上覆壓力擠壓下沿預(yù)裂面切落，極大消散了沿空巷道圍巖的應(yīng)力集中程度，應(yīng)力集中向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，改善了沿空巷道的圍巖應(yīng)力環(huán)境，減小了巷內(nèi)支護(hù)的受力及巷旁支護(hù)的阻力和應(yīng)力集中程度，最終提高了沿空巷道的穩(wěn)定性。根據(jù)煤層地質(zhì)條件，在軌道巷下幫邊緣布置炮眼，炮眼長(zhǎng)度按4.0m和2.5m間距0.5m交替布置，4.0m炮眼使用400g炸藥，2.5m炮眼使用300g炸藥，切頂超前工作面至少20米以保證切頂效果。

4.3 以預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索錨桿與“半梁?jiǎn)沃^棚支護(hù)結(jié)構(gòu)”為二次支護(hù)型式的綜合控制技術(shù)

沿空巷道內(nèi)頂板的完整性是沿空留巷成功的重要前提。在錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合錨索進(jìn)行支護(hù)。錨網(wǎng)支護(hù)克服松動(dòng)巖體的自重，強(qiáng)化錨固范圍內(nèi)巖層承載能力，阻止圍巖的進(jìn)一步松動(dòng)，消除圍巖松散變形，提高支護(hù)能效；而錨索可以充分利用深部圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，增大錨固范圍，削弱頂板的剪切破壞作用，防止巷道頂板斷裂、冒落。在具體應(yīng)用中，采用了“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網(wǎng)”與“半梁?jiǎn)沃^棚支護(hù)結(jié)構(gòu)”的支護(hù)形式支護(hù)形式，實(shí)現(xiàn)了以預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索為二次支護(hù)型式的綜合控制技術(shù)，達(dá)到了改善沿空巷道的圍巖應(yīng)力環(huán)境的效果。具體支護(hù)斷見(jiàn)圖2所示。

“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網(wǎng)”與“半梁?jiǎn)沃^棚支護(hù)結(jié)構(gòu)”有機(jī)地結(jié)合，對(duì)沿空留巷懸臂頂板進(jìn)行護(hù)頂，以兩節(jié)U型鋼通過(guò)夾箍連接做柱腿，既有一定的讓壓作用，也加強(qiáng)了對(duì)懸頂?shù)闹У淖饔?，同時(shí)單腿對(duì)采空區(qū)側(cè)冒落頂板破碎巖塊進(jìn)行阻擋，防止巖塊竄到留巷空間。橫向布置的頂梁增加支護(hù)體對(duì)保留頂板的支護(hù)面積，避免了軟弱頂板留頂邊緣破碎導(dǎo)致其下部支撐體失去支撐點(diǎn)的現(xiàn)象；以頂板錨桿固定頂梁的一端，有效控制了頂板與支護(hù)體的橫向相對(duì)位移，解決了軟弱頂板條件下沿空留巷懸臂頂梁的穩(wěn)定性問(wèn)題。

5、無(wú)巷旁充填沿空留巷技術(shù)方法的應(yīng)用效果

5.1 沿空留巷斷面尺寸效果

巷道頂板最大下沉量70mm，個(gè)別地段巷道水引起底鼓出現(xiàn)頂?shù)装逡平看?，采取降底工作即可。兩幫平均移近?0mm。斷面平均收縮率9.7%，從匯總結(jié)果可以看出巷道表面變形量小，沿空留巷獲得成功。工作面后方20m范圍內(nèi)，采空區(qū)側(cè)有單體柱支護(hù)，所以頂?shù)装搴蛢蓭鸵平啃。兓骄?；在工作面后?0～60m范圍內(nèi)受到工作面周期來(lái)壓的影響，圍巖活動(dòng)劇烈，頂?shù)装鍍蓭鸵平恐饾u增大，移近速度較快，在45m處達(dá)到最大。在工作面60～100m范圍內(nèi)，圍巖活動(dòng)減輕，盡管頂?shù)滓廊辉黾拥俣群苄?；在工作?00m以后，圍巖穩(wěn)定，變形也很穩(wěn)定。

5.2 沿空留巷經(jīng)濟(jì)效益

東懷煤礦25D04工作面首次采用了工作面切頂沿空留巷開(kāi)采技術(shù)，減少的煤柱損失，提高了礦井的煤炭回收率，之前每個(gè)工作面間距要留30～40m保護(hù)煤柱。現(xiàn)可全部回收，回收率提高17%左右，同時(shí)也可延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限。符合現(xiàn)行資源節(jié)約型能源政策，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平；相比于普通綜掘巷道，工作面切頂沿空留巷開(kāi)采技術(shù)減少了巷道開(kāi)掘工作量，每米減少企業(yè)支出14296.9元，僅25D04沿空留巷一條巷道就為企業(yè)節(jié)支1530萬(wàn)元，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

5.3 無(wú)巷旁充填沿空留巷推廣應(yīng)用情況

目前，該無(wú)巷旁充填沿空留巷技術(shù)開(kāi)采方式已經(jīng)在東懷煤礦和那荷煤礦全面推廣，累計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益2300萬(wàn)元以上。同時(shí)，無(wú)巷旁充填沿空留巷技術(shù)開(kāi)采方式的成功應(yīng)用，為回采工作面實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)方式，有效解決回采工作面高溫、瓦斯異常的安全問(wèn)題提供了有力保障。從而使礦井實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效綠色開(kāi)采和科學(xué)產(chǎn)能的理念。

6、結(jié)論

⑴使用爆破預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)，使頂板的應(yīng)力集中向巷道圍巖（煤體）深部轉(zhuǎn)移，改善了沿空巷道的圍巖應(yīng)力環(huán)境，提高了沿空巷道頂板的穩(wěn)定性。

⑵采用了“錨桿+H型鋼帶+錨索+菱形金屬網(wǎng)”與“半梁?jiǎn)沃^棚支護(hù)結(jié)構(gòu)”的支護(hù)形式支護(hù)形式的綜合控制技術(shù)，達(dá)到了改善沿空巷道的圍巖應(yīng)力環(huán)境、保護(hù)留巷頂板完整性的效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

王翔（1975—）男，廣西靖西人，百色百礦集團(tuán)有限公司，主要研究煤礦開(kāi)采及安全技術(shù)。