綜采工作面切頂留巷臨時(shí)支護(hù)技術(shù)研究應(yīng)用

張能旺

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 曙光煤礦， 山西 孝義 032300)

我國煤礦井下工作面開采原來以121工法為主，每個(gè)回采工作面需布置兩條回采巷道，且工作面需留設(shè)一定寬度的區(qū)段煤柱，造成礦井采掘接替緊張、回采率低等問題。為此，何滿朝等提出切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)，并在許多礦井進(jìn)行了實(shí)踐，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-4]. 其研究重點(diǎn)集中在“切頂卸壓+恒阻大變形錨索”主體支護(hù)，對于切頂留巷期間的臨時(shí)支護(hù)研究較少，盲目采用單體支柱進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，不利于礦井生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性、安全性、科學(xué)性的實(shí)現(xiàn)。以山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司曙光煤礦1226運(yùn)輸巷為背景，在確定其主體切頂支護(hù)方案的前提下，對臨時(shí)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究及應(yīng)用，以保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1 工程概況

曙光煤礦位于山西省孝義市，主采2#、3#煤層，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a，現(xiàn)階段2#煤層布置1226綜采工作面，區(qū)段標(biāo)高為+960～+1 105 m，相對高差145 m. 1226工作面煤層均厚為2.85 m，工作面走向推進(jìn)長度1 562 m，工作面開切眼長度180.5 m，沿頂?shù)装甯蠲?，不留頂?shù)酌?，平均采高?.85 m. 為提高工作面回采率及巷道利用率，設(shè)計(jì)在1226運(yùn)輸巷采用無煤柱沿空留巷技術(shù)。

2 1226運(yùn)輸巷支護(hù)技術(shù)

1226運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間采用“錨網(wǎng)索梁”永久支護(hù)方式，頂板每排采用6根d20 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿配合4.5 m的鋼筋托梁進(jìn)行支護(hù)，頂錨桿錨固劑采用MSK2355、MSZ2355各一卷。錨索采用d21.6 mm×6 500 mm的鋼絞線，布置在兩排錨桿中間，采用“三花”布置方式，樹脂錨固劑采用MSK2355、MSK2355、MSZ2355各一卷。兩幫每排各支設(shè)4根d20 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿，在巷道右?guī)?#煤層與夾矸分界處打設(shè)一根點(diǎn)錨索，錨索與巷道右?guī)统?5°角，錨索的排距為2 m，錨索采用d21.6 mm×6 500 mm的鋼絞線配合300 mm×300 mm×12 mm的四方鐵板進(jìn)行支護(hù)，錨固劑采用MSK2355、MSK2355、MSZ2355各一卷。

3 巷道切頂卸壓+恒阻大變形錨索留巷支護(hù)

1226運(yùn)輸巷采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護(hù)”為主體的支護(hù)方案，通過預(yù)裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應(yīng)力傳遞，減弱巷道頂板壓力，保護(hù)巷道頂板完整性。具體方案：在1226工作面運(yùn)輸巷靠近回采側(cè)范圍內(nèi)進(jìn)行切頂爆破，切縫孔距巷道回采側(cè)幫150 mm，切縫面由豎直方向向采空區(qū)旋轉(zhuǎn)15°，切縫孔間距設(shè)計(jì)為600 mm，切頂鉆孔垂直高度為10.0 m，施工時(shí)至少超前工作面50 m.

采用恒阻大變形錨索控制頂板下沉，恒阻大變形錨索加固方案：錨索d21.8 mm，長度為12 m，恒阻器d85 mm，長450 mm，恒阻值為32 t，可伸縮量為150 mm. 1226工作面運(yùn)輸巷和材料巷共布設(shè)2列恒阻大變形錨索，第一列恒阻錨索距切縫鉆孔400 mm(距回采側(cè)煤幫550 mm)，排距1 000 mm；第二列中線偏實(shí)體煤側(cè)200 mm，排距2 000 mm. 恒阻錨索相鄰錨索之間用3 mm×280 mmW鋼帶連接(平行于巷道走向)。預(yù)裂鉆孔及恒阻錨索支護(hù)見圖1.

圖1 1226運(yùn)輸巷留巷支護(hù)示意圖

4 巷道分區(qū)臨時(shí)支護(hù)方案

工作面回采期間，巷道與工作面相對位置發(fā)生變化時(shí)，受到的采動(dòng)影響大小也發(fā)生變化。工作面前方一定范圍內(nèi)，巷道圍巖受超前支承壓力的影響；工作面附近，巷道受采煤機(jī)割煤、采空區(qū)頂板垮落的動(dòng)壓影響；工作面后方一定范圍內(nèi)，巷道仍受采空區(qū)頂板垮落的動(dòng)壓影響，需要持續(xù)變形一段時(shí)間才能最終穩(wěn)定。因此，將工作面附近的1226運(yùn)輸巷劃分為3個(gè)區(qū)：超前支護(hù)區(qū)(工作面前方30 m)，架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)(架后0～200 m)和成巷穩(wěn)定區(qū)(架后200 m之后)，分區(qū)見圖2.

4.1 超前支護(hù)區(qū)

工作面前方30 m內(nèi)的運(yùn)輸巷受超前支承壓力的影響，巷道圍巖易出現(xiàn)較大的變形，故設(shè)計(jì)采用單體液壓支柱配合π型梁進(jìn)行臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用一梁三柱垂直巷道軸線方向布置，排距為1.0 m，超前支護(hù)長度不小于30 m.

4.2 架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)

工作面后方0～200 m，采空區(qū)頂板逐漸垮落，動(dòng)壓影響較為劇烈。因此，在架后0～200 m，頂板需要臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)?，F(xiàn)有的架后臨時(shí)支護(hù)主要有單體臨時(shí)支護(hù)、單體+墩式支架臨時(shí)支護(hù)和門式剛架臨時(shí)支護(hù)[5-6]. 其中單體支柱主要用于淺埋深、薄煤層、壓力比較小的留巷支護(hù)，曙光煤礦開采深度大，巷道內(nèi)壓力顯現(xiàn)明顯，因此主要從單體+墩式支架臨時(shí)支護(hù)和門式鋼架臨時(shí)支護(hù)之間選擇。單體+墩式支架臨時(shí)支護(hù)和門式鋼架臨時(shí)支護(hù)對比見表1.

為確保1226運(yùn)輸巷的切頂留巷效果，對門式支架與墩式支架綜合分析比較后，最終確定采用門式支架進(jìn)行1226運(yùn)輸巷的架后臨時(shí)支護(hù)。1226運(yùn)輸巷為矩形斷面，根據(jù)自然平衡拱理論，作用在深埋巖體巷道頂部的圍巖壓力為自然平衡拱內(nèi)巖體的自重，頂板最大松動(dòng)范圍為[5-6]：

圖2 巷道不同位置臨時(shí)支護(hù)圖

表1 門式支架與墩式支架對比表

(1)

式中：

hg—頂板最大松動(dòng)范圍，m；

a—巷道寬度的一半，m，取2.35；

c—幫部最大破壞范圍，m，取3.5；

fd—頂板硬度系數(shù)，取2.

由式(1)可得，hg=2.925 m，按照最危險(xiǎn)的情況考慮，頂板松動(dòng)范圍內(nèi)的巖體自重全部由門式支架承擔(dān)，則所需的門式支架支護(hù)力為[7]：

N=hgγ(2c+2a)d

(2)

式中：

N—所需支護(hù)力，kN；

hg—頂板最大松動(dòng)范圍，m，取2.925；

γ—巖層平均重力密度，kN/m3，取25；

c—巷道兩幫破壞范圍，m，取3.5；

a—巷道寬度，m，取2.35；

d—支護(hù)排拒，m，取1.5.

由式(2)可得，N=1 283.34 kN. 根據(jù)壓強(qiáng)公式P=N/S，可算出所需支護(hù)壓強(qiáng)至少需0.182 MPa. ZLQ2826/22.5/38型門式支架初撐力為1 978.2 kN，工作阻力為2 826 kN，均大于所需支撐力，因此確定采用ZLQ2826/22.5/38型門式支架。1226運(yùn)輸巷錨桿排距為1 000 mm，為有效避讓頂板錨桿、錨索，確定門式支架架間距為1 500 mm，留巷加強(qiáng)支護(hù)長度按照200 m考慮，共需134架門式支護(hù)裝置。相鄰門式支護(hù)裝置橫梁之間通過礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈及緊鏈器連接，實(shí)現(xiàn)相鄰門式支護(hù)裝置之間的連接，避免因立柱卸壓發(fā)生倒架。門式支架布置方式見圖3.

圖3 運(yùn)輸巷道門式支護(hù)臨時(shí)支護(hù)展開圖

為防止采空區(qū)的矸石滾落至巷道內(nèi)，支架靠近采空區(qū)一側(cè)掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)上部與頂板金屬網(wǎng)捆扎在一起，鋼筋網(wǎng)由d6 mm的鋼筋焊接而成，尺寸為1 700 mm×1 000 mm，鋼筋網(wǎng)掛設(shè)完成后，在采空區(qū)側(cè)布置可伸縮36U型鋼，U型鋼長2.6 m(可根據(jù)巷道高度適當(dāng)調(diào)整)，U型梁排距為500 mm，布置見圖4.

圖4 架后臨時(shí)支護(hù)側(cè)視圖

4.3 成巷穩(wěn)定區(qū)

滯后采煤工作面200 m以上的巷道內(nèi)，當(dāng)圍巖趨于穩(wěn)定時(shí)，將門式支架撤去，保留可伸縮U型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)，根據(jù)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛?、采空區(qū)漏風(fēng)情況，確定是否進(jìn)行碎石幫側(cè)噴漿處理。噴漿時(shí)采用水泥砂漿，噴漿厚度不小于50 mm，必要時(shí)進(jìn)行復(fù)噴。

5 應(yīng)用效果

5.1 監(jiān)測點(diǎn)布置及監(jiān)測周期

曙光煤礦1226運(yùn)輸巷沿空成巷施工后，在現(xiàn)場進(jìn)行了巷道表面位移量監(jiān)測，布置83組測點(diǎn)，每組測點(diǎn)包括2個(gè)點(diǎn)：頂板(A點(diǎn))、底板(B). 監(jiān)測方法：用收斂儀分別測量各測點(diǎn)到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，兩測點(diǎn)相鄰兩次測試數(shù)據(jù)的差值即為兩點(diǎn)相對移近量，以此累加相鄰兩次測試數(shù)據(jù)的差值即可得兩點(diǎn)相對總移近量，測量精度0.1 mm. 巷道表面位移監(jiān)測為實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，每次獲取的觀測數(shù)據(jù)需要做好記錄表及時(shí)整理，共進(jìn)行為期21天的監(jiān)測。

5.2 支護(hù)效果評價(jià)

對現(xiàn)場監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)整理得到圖5，成巷初期巷道圍巖位移量快速增大，成巷約10天后圍巖趨于穩(wěn)定，兩幫移近量穩(wěn)定在23.5 mm左右，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在16.3 mm左右，巷道變形量小，支護(hù)效果良好。

圖5 圍巖位移量變化曲線圖

6 總 結(jié)

1) 以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護(hù)”為主體的切頂留巷技術(shù)應(yīng)用期間，臨時(shí)支護(hù)對于留巷圍巖穩(wěn)定非常關(guān)鍵。工作面超前段受超前支承壓力的影響，可采用單體柱或單體柱+工字鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，超前支護(hù)距離不小于100 m；工作面開采時(shí)，頂板開采垮落，動(dòng)壓明顯，可采用門式支架等強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)的臨時(shí)支護(hù)方式，工作面后方頂板從垮落到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進(jìn)行頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，還需進(jìn)行擋矸支護(hù)，采用可伸縮U型鋼擋矸支護(hù)效果良好；當(dāng)巷道距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，頂板運(yùn)動(dòng)基本趨于穩(wěn)定。礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，巷道頂板穩(wěn)定后，可將架后臨時(shí)支護(hù)的設(shè)備撤掉，只進(jìn)行擋矸支護(hù)即可。

2) 圍巖位移監(jiān)測結(jié)果表明，留巷期間圍巖穩(wěn)定后，兩幫移近量穩(wěn)定在23.5 mm左右，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在16.3 mm左右，圍巖穩(wěn)定性良好，能夠滿足1228接替工作面的生產(chǎn)需求。