常昭昭
(陜西雙龍煤業(yè)開發(fā)有限責任公司,陜西 黃陵 727306)
沿空留巷實際上是一種固定的支護回采巷道,多被應(yīng)用在礦山開采的相關(guān)工作之中,一定程度上可以提升整體的施工效果與質(zhì)量[1]。在綜采工作中,部分復合頂板的設(shè)計與布置一般會使用傳統(tǒng)的方式,預(yù)留出單向的巷道,結(jié)合開采礦的發(fā)育狀況,逐漸作出對應(yīng)的調(diào)整,以此來確保最終施工的效果[2]。這種施工方式雖然可以完成預(yù)期的開采目標,但是對于沿空留巷礦壓的變化控制能力較弱,也極容易導致礦壓變化不規(guī)律,影響礦內(nèi)施工安全。因此,結(jié)合110工法,針對綜采工作面復合頂板沿空留巷礦壓規(guī)律進行研究與分析[3]。
110工法可以簡單概括為1個工作面、1條巷道和0個煤柱,主要利用跳采的方式,將施工的平衡性逐漸擴大,最大程度避免采空區(qū)側(cè)礦體的回采動壓。降低整體的影響面積,確保施工的穩(wěn)定與安全[4]。將110工法應(yīng)用在礦壓規(guī)律的研究工作之中,可以更好地將施工區(qū)域進行均等劃分,同時,沿空留巷對施工資源進行最大限度回收,避免礦產(chǎn)資源丟失[5]。過程中可以采用頂板定向切縫技術(shù),110工法中NPR恒阻大變形錨索支護技術(shù)等對采礦區(qū)域進行定性的探索、施工,逐步獲取礦壓的變化數(shù)值及信息,實現(xiàn)規(guī)律總結(jié)、驗證,為該技術(shù)的進一步發(fā)展應(yīng)用提供借鑒[6]。
本次主要是結(jié)合110工法,對綜采工作面復合頂板沿空留巷礦壓規(guī)律進行分析和研究。為確保測試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性,選擇較為真實的測試環(huán)境。以雙龍煤礦201綜采工作面作為主要的目標對象,將二盤區(qū)首采工作面作為測定的核心點,該工作面實際上位于二盤區(qū)大巷的北側(cè),處于井田的邊界位置,這部分的礦產(chǎn)區(qū)域目前并未開采,測定出回采工作面的實際埋深為330~190 m[7]。地面與回采用面之間的標高設(shè)定為+1 020~+1 170 m以內(nèi)。該項工程共布置了3條沿空留巷道,2條運輸進風巷以及1條邊緣回風巷[8]。為提升礦壓規(guī)律的研究精準度,可以先對輔助運輸兩側(cè)的邊緣巷道標定,同時進行切頂、卸壓沿空留巷,具體如圖1所示:
圖1 邊緣巷道采掘結(jié)構(gòu)圖示
根據(jù)圖1,可以完成對邊緣巷道采掘結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)建。隨后,在標定的環(huán)境下,劃定此時有效巷道的整體長度為1 910 m,可采長度為1 760 m,為提升整體的采掘效果,布設(shè)巷道為菱形或者矩形,與主運輸順槽形成關(guān)聯(lián),搭接輔助順槽為承接面,頂板沿空留巷的回風巷規(guī)格為5.0 m×2.9 m,利用錨索的形式關(guān)聯(lián)支護結(jié)構(gòu),同時調(diào)整礦區(qū)支護切眼的規(guī)格為7.0 m×2.9 m[9]。該工程的預(yù)設(shè)施工周期為1 a,開采礦區(qū)主要是以細粒砂巖為主,測定的厚度一般為3.25~6.65 m之間,內(nèi)部存在石英、長石等,質(zhì)地堅硬,普氏系數(shù)為2~4,種類較多,至此完成對工程概況的簡述及測試環(huán)境的布置。
在對綜采工作面復合頂板沿空留巷礦壓規(guī)律分析研究之前,需要先進行采掘節(jié)點的布設(shè)。針對于礦區(qū)節(jié)點的布設(shè),一般是采用分散模式的,盡量擴大實際的監(jiān)控區(qū)域,確保采掘位置的動態(tài)變化,便于實時數(shù)據(jù)的采集和信息的獲取。將201充填工作面后方搭建一個輔助液壓支架,測定隨工作面推進變化產(chǎn)生的動態(tài)化規(guī)律,承壓支架上布置3臺KJ216-F型頂板壓力監(jiān)測分站,此時,將各個區(qū)域的監(jiān)測節(jié)點與其形成關(guān)聯(lián),完成支架的編號,營造局域監(jiān)測網(wǎng)。在日常的工作之中,一旦綜采工作面出現(xiàn)異常,表明礦區(qū)的壓力出現(xiàn)變化,利用節(jié)點獲取實時數(shù)值,并構(gòu)建采掘節(jié)點的布設(shè)結(jié)構(gòu),具體如圖2所示:
圖2 采掘節(jié)點布設(shè)位置圖示
根據(jù)圖2,可以完成對采掘節(jié)點布設(shè)位置的設(shè)計與調(diào)整。結(jié)合110工法,在運輸巷側(cè)向增設(shè)1號支架,為了提升整體的礦壓規(guī)律監(jiān)測精度,還需要以此增設(shè)3號前架、3號后架、15號后架、24號前架、40號前架以及44號后架等,根據(jù)復合頂板沿空留巷外部壓力的變化情況,采用在線傳輸?shù)谋O(jiān)測方式,將節(jié)點獲取的數(shù)據(jù)逐一匯總整合,傳輸至KJ216-F型頂板壓力監(jiān)測分站,存儲在線測量系統(tǒng)之中。但這部分需要注意的是,為降低礦壓規(guī)律監(jiān)測范圍,需要定期調(diào)整復合頂板的沿空留巷覆蓋面積,并利用監(jiān)測節(jié)點,測定出瞬時阻力,為后續(xù)對礦壓規(guī)律分析提供參考依據(jù)。
在完成對采掘節(jié)點的布設(shè)之后,結(jié)合礦區(qū)的施工標準,進行礦壓指標數(shù)據(jù)、信息的基礎(chǔ)觀測。通常情況下,針對于不同的礦區(qū),一般會選擇配比指數(shù)較高的充填材料對礦區(qū)空置區(qū)域進行填充,以此來確保施工過程中的穩(wěn)定與安全。利用掃描儀器,對礦區(qū)的不同位置進行掃描,同時將獲取的數(shù)值信息匯總整合。
采用橫向掘進的方式,在礦區(qū)兩側(cè)的邊緣位置加置承壓頂板,與后方的沿空留巷形成關(guān)聯(lián)空間。但是這部分需要注意的是,部分礦區(qū)的采場受到外部壓力較大,這也就極容易導致頂板壓力隨之增加,對采掘推進的面積以及空間形成變化,根據(jù)頂板的移動規(guī)律以及受力特征,測定出礦區(qū)的支護阻力,結(jié)合110工法,布設(shè)一個工作面和一個傳輸信道,進行多方向測算,具體見表1:
表1 礦區(qū)支護阻力測算表
根據(jù)表1,可以完成對礦區(qū)支護阻力的測算與分析。與此同時,在標定的范圍之內(nèi),利用膏體充填開采與普通綜采工作面,加強對采空區(qū)頂板以及沿空留巷控制,盡量將壓力控制在合理的范圍中,隨著工作面不斷回采,設(shè)定一個懸臂梁的輔助結(jié)構(gòu),當長度達到一定值后,測定此時的礦壓數(shù)據(jù)、信息,如果超出合理的范圍,極容易出現(xiàn)周期性斷裂、垮落等問題,加大巷道變形的程度,增加礦區(qū)的壓力。
在基礎(chǔ)支護結(jié)構(gòu)中,對承壓點和頂板沿空留巷進行重力支撐,利用U型鋼設(shè)計可伸縮支架,結(jié)合110工法,支護結(jié)構(gòu)中核心的工作面、巷道以及煤柱作為測定標準,確保此時礦體的受力狀態(tài)保持平衡,但是前后受力的結(jié)構(gòu)存在差異,具體如圖3所示:
圖3 110工法下頂板承壓支架受力情況圖示
根據(jù)圖3,可完成對頂板沿空留巷承壓支架受力情況的分析與研究。此時,可以測定出頂板的承壓情況,并計算出荷載值,具體如公式1所示:
式中:H為頂板實時荷載值;β為承壓傾斜距離;a為彎折空間;i為伸縮次數(shù);q為頂板的水平回轉(zhuǎn)壓縮;ζ為頂板厚度。通過上述計算,最終可以得出實際的頂板實時荷載值。根據(jù)頂板荷載力的變化情況,設(shè)定沿空留巷的空間。當頂板支架受到水平運動的影響時,對應(yīng)的回轉(zhuǎn)區(qū)域也會逐漸向礦區(qū)的采空位置傾斜,在支架的輔助作用下,結(jié)合礦壓的變化情況,設(shè)定支架的伸縮距離,具體見表2:
表2 110工法承壓支架伸縮距離設(shè)定表
根據(jù)表2,可以完成對110工法下承壓支架伸縮距離的設(shè)定與調(diào)整。利用U型鋼支架,可以在特定的環(huán)境下,盡量阻擋礦區(qū)或者礦洞對應(yīng)的外部壓力,避免對礦壓規(guī)律的測定結(jié)果造成影響。以此為基礎(chǔ),在礦區(qū)的綜采工作面復合頂板沿空留巷安裝承壓錨索,與煤柱形成水平關(guān)聯(lián),大致為3個位置:弧形幫側(cè)、巷道中部以及采空區(qū)測,設(shè)定4個測試周期,每3天為1個周期,計算出每一個周期錨索的受力值,具體如公式2所示:
式中:Y為錨索受力值;n為位移距離;x1為最大移近量;x2為最小移近量;r為疊加應(yīng)力。通過上述計算,最終可以得出實際的錨索受力值。在不同的階段中,錨索的受力值也會發(fā)生對應(yīng)的變化,煤柱的高度也需要作出調(diào)整。此時,結(jié)合前期留巷、后期留巷觀測獲取的數(shù)據(jù),進行礦壓的比照分析,具體見表3:
表3 前期留巷、后期留巷數(shù)據(jù)表
根據(jù)表3,可以完成對前期留巷、后期留巷數(shù)據(jù)的分析與了解。將測試的礦區(qū)前后期礦壓數(shù)值進行匯總,并設(shè)定3個測試階段,每一個階段礦區(qū)均存在壓力變化,根據(jù)綜采工作面位移距離的變化,計算測定出3個階段的擋矸壓力值,具體如公式(3)所示:
式中:U為擋矸壓力值,C為移位側(cè)向距離,R1表示承壓移位量,R2表示動態(tài)化移位量,表示巷幫回轉(zhuǎn)距離。通過上述計算,最終可以得出實際的擋矸壓力值。結(jié)合擋矸壓力值在3個礦采區(qū)域的變化情況,結(jié)合110工法,總結(jié)礦壓的變化規(guī)律。
結(jié)合上述測定,最終可以得出實際的測試結(jié)果,具體見表4:
表4 測試結(jié)果比照分析表
根據(jù)表4,可以完成對測試結(jié)果的分析,針對于擋矸壓力值的變化情況,以圖示的形式研究,具體如圖4所示:
圖4 礦壓變化規(guī)律分析曲線圖示
根據(jù)圖4,可以完成對測試結(jié)果的分析:經(jīng)過3個階段的測試與驗證,可以得知礦壓的變化與綜采工作面的間距存在直接聯(lián)系,隨著綜采工作面距離的不斷增加,擋矸壓力的變化值也會隨之增加,反之,如果綜采工作面距離減少,擋矸壓力的變化值也會隨之降低,總體呈現(xiàn)出正比例的礦壓變化規(guī)律。
由于傳統(tǒng)的綜采工法不能明確沿空留巷礦壓的變化規(guī)律,因此本文對“110工法”條件下綜采工作面復合頂板沿空留巷礦壓規(guī)律展開研究。
1)110工法可以從整體上對頂板沿空留的變動情況進行測定,針對獲取的數(shù)值、信息,在標定的留巷期內(nèi),計算出礦壓的相關(guān)數(shù)值,并對存在的變化規(guī)律進行總結(jié)。
2)110工法自帶的支護模式,一定程度上也可以提升礦采工作整體的效率,縮小礦壓規(guī)律的變化誤差,進一步確保測定結(jié)果的精準、可靠,為后續(xù)的工程處理奠定基礎(chǔ)條件。
3)在110工法的輔助之下,經(jīng)過對擋矸壓力值變化情況的測定以及頂板巷道的移位間距,能夠得知礦壓的實時變化與移位間距存在正向的關(guān)聯(lián);綜采工作面擴大,頂板沿空留巷的移位間距也隨之增大,此時的擋矸壓力的變化值也會隨之增加;反之,綜采工作面縮小,頂板沿空留巷的移位間距也隨之減小,此時的擋矸壓力的變化值也會隨之下降,致使礦壓出現(xiàn)正向的變化規(guī)律。