王晉勇,趙建康

(蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 唐安煤礦分公司，山西 晉城 048407)

沿空留巷可以實現(xiàn)無煤柱開采,提高資源回采率,延長礦井服務年限;在高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井,可以實現(xiàn)Y型通風,消除回風隅角瓦斯積聚,改善礦井安全條件;降低巷道掘進率,減少空頂作業(yè),降低冒頂、片幫幾率,提高礦井安全生產(chǎn)水平;改善礦井技術經(jīng)濟指標,適應新常態(tài)。因此,積極推廣無煤柱沿空留巷技術,可以促進煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,提高煤礦安全生產(chǎn)水平,保證國家能源戰(zhàn)略安全。

1 工程概況

唐安煤礦3313綜放工作面位于井下752水平三盤區(qū),埋深為 324 m 左右,屬于淺埋煤層;工作面2條順槽,均沿3#煤層底板布置,上、下煤層均未開采;3#煤層平均厚度6m,煤層傾角(1°～14°)/7°,煤層結構簡單;直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度4.95 m,老頂為細粒砂巖,厚度10 m;工作面走向長度609 m,傾斜長度235 m,回采推進長度497 m;采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤頂板全部垮落的采煤方法,機采高度為2.9 m±0.1 m,放頂煤高度為3.1 m。

沿空留巷選擇3313軌道運輸順槽為試驗巷道,并作為接替回采面的皮帶運輸順槽進行復用。該巷道斷面為矩形,巷道凈寬為5.6 m,凈高為3.1 m。頂板采用錨網(wǎng)索+W鋼帶聯(lián)合支護。其錨桿采用D20 mm×2 200 mm的高強度左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,間、排距為0.9 m×0.9 m,頂角錨桿距幫為0.2 m,每排7根,中部5根錨桿垂直頂板布置,2根頂角錨桿分別與巷道輪廓豎直方向成20°角布置;錨索采用D22 mm×8 300 mm、1×19股鋼絞線,垂直于頂板“三·二”相間布置,間距1.8 m,排距0.9 m,當一排布置3根錨索時,靠近回采的第一根錨索距回采幫650 mm,第一根與第二根錨索采用W鋼帶組合支護,鋼帶長度2.4 m,型號為WD280-3。兩幫采用“錨桿+托梁+金屬菱形網(wǎng)”聯(lián)合支護,錨桿型號與頂錨桿相同,間、排距為0.9 m×0.9 m,每側每排布置4根,幫頂錨桿距頂250 mm、與巷道水平成20°仰角布置,其余錨桿垂直煤(巖)面布置。

2 綜采放頂煤工作面沿空留巷圍巖控制方案

2.1 綜采放頂煤工作面沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

綜采放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)明顯,在該工作面回采期間,工作面周期來壓步距為25 m～27 m。隨著沿空留巷的實施,以沿空留巷充填體為支點,頂板上方巖層將形成大面積“懸臂梁”而無法沿充填體斷裂,使巷道頂板巖層向采空區(qū)側持續(xù)旋轉(zhuǎn)下沉、沿空留巷圍巖應力增大并于沿空留巷內(nèi)集中顯現(xiàn),造成沿空留巷頂板下沉和底鼓,實體煤側幫鼓,充填支護體“鉆頂、鉆底”、向采空區(qū)側傾倒并發(fā)生破碎。

2.2 綜采放頂煤工作面沿空留巷圍巖控制原理

2.2.1預留巷道基本支護設計

高強度、高預應力的大斷面巷道基本支護超前補強支護。由于綜采放頂煤工作面的特殊性,該工作面的2條順槽均沿煤層底板布置,在巷道頂部與直接頂之間有約3 m厚的煤層,為增加頂板煤、巖層的層間結合力,抑制(減緩)頂板離層和下沉,提高頂板的整體性和穩(wěn)定性,在原有高強度、高預應力的大斷面巷道基本支護前提下進行錨索超前補強支護,使錨索的高預應力有效擴散到頂板巖層中。

2.2.2超前切頂卸壓

沿空留巷超前切頂卸壓技術即沿工作面前方預留巷道采空區(qū)側布置爆破切頂鉆孔,對工作面頂板進行超前預裂爆破,使頂板沿預定方向產(chǎn)生切縫,即切頂線;隨著工作面的不斷推進,采空區(qū)頂板周期性來壓,巷道采空區(qū)側頂板沿切縫垮落形成留巷巷幫,進而實現(xiàn)切頂卸壓沿空留巷,大大減輕采空區(qū)頂板來壓時對留巷的影響。

切頂卸壓的技術原理主要是爆破預裂頂板切斷了直接頂及基本頂?shù)膽冶?斷開了巷道頂板與采空區(qū)側頂板的聯(lián)系,減少了充填支護體承擔的巖石重力,避免了頂板巖層的持續(xù)旋轉(zhuǎn)下沉,保證了沿空留巷頂板巖層的完整性。

2.2.3巷旁支護

所謂巷旁支護,是指巷道斷面范圍以外與采空區(qū)交界處所安設的一些特種類型的支架或人工隔離物,其目的是為了切斷巷道以外的采空區(qū)頂板,隔離采空區(qū)或減輕巷內(nèi)支架的受力等。沿空留巷巷旁支護的主要作用如下:

1)支撐垮落帶邊緣的頂板載荷,從而分擔和減輕巷內(nèi)支護的壓力。

2)當直接頂比較堅硬或頂板周期來壓時,利用巷旁支護切頂頂板,從而避免頂板沿煤幫處斷裂,同時利用它去承受直接頂冒落和老頂周期來壓所產(chǎn)生的動載。

3)隔離或密閉采空區(qū),防止漏風和采空區(qū)遺煤自燃,避免采空區(qū)有害氣體向巷內(nèi)逸出。

3 工程應用與實踐

3.1 沿空留巷實施過程

3.1.1預留巷道基本支護

為提高沿空留巷頂板穩(wěn)定性,對預留巷道進行補強支護。補強方案:于原有支護1排布置2根錨索的所在位置補打2根錨索,錨索采用D22 mm×8 300 mm、1×19股鋼絞線,托盤采用300 mm×300 mm×16 mm的穹形托盤,垂直于頂板布置,排距1.8 m。預留巷道基本支護及錨索補強支護見圖1。

3.1.2預留巷道超前切頂卸壓爆破

采用聚能藥包定向斷裂爆破切頂卸壓設計方案,實現(xiàn)炸藥高效利用和爆生裂紋精準控制,既破段留巷外關鍵層,又減輕關鍵層破段、回轉(zhuǎn)過程中對留巷上方頂煤的擠壓作用,減少巷道圍巖變形,有效避免巷內(nèi)頂板臺階下沉和大變形。

通過切頂卸壓,消除懸頂現(xiàn)象,降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形壓力,從而大大減小了巖梁傳遞到巷旁和巷內(nèi)支護的荷載,從根本上改善巷道的力學環(huán)境。沿空留巷懸頂見圖2,沿空留巷預裂爆破切頂卸壓效果見圖3。

圖1 預留巷道基本支護及補強支護示意圖Fig.1 Basic support and reinforcement support in reserved roadways

圖2 沿空留巷懸頂Fig.2 Suspended roof in gob-side entry retaining

圖3 沿空留巷預裂爆破切頂卸壓效果Fig.3 Effect of roof cutting pressure relief of pre-split blasting in gob-side entry retaining

超前切頂卸壓爆破參數(shù):沿巷道回采側肩角布置一排炮孔,炮孔直徑D=50 mm,傾角β=75°,長度L=25 m,間距a=600 mm,單孔裝藥量Q=9.5 kg,采用孔底不耦合連續(xù)裝藥,聚能藥包定向斷裂爆破,導爆索多點起爆,單次起爆25個炮孔,每5個炮孔為一組。切頂卸壓爆破作業(yè)地點距工作面煤壁不小于20 m。

3.1.3待澆筑空間圍護

待澆筑空間是指巷旁支護施工前,采用臨時支護控制頂板的范圍。待澆筑空間越大,頂板穩(wěn)定性越差,采空區(qū)有害氣體和矸石涌入留巷內(nèi)的數(shù)量和機會就越多。

1)擋矸支架。待澆筑空間采用沿空留巷擋矸支架進行圍護,該支架是為柔模混凝土沿空留巷開發(fā)的專用支架,具備支護、擋矸、自移、糾偏等功能,滿足沿空留巷使用要求。

2)采空區(qū)頂板錨索支護。根據(jù)井下現(xiàn)場觀察，回采工作面綜放支架移架后采空區(qū)頂煤和直接頂隨采隨垮，僅僅依靠金屬網(wǎng)無法有效阻擋采空區(qū)矸石，容易造成支架向巷內(nèi)偏移，導致墻體不平直，影響留巷復用。因此，生產(chǎn)班移架后，在頂網(wǎng)的保護下，沿軌道巷回采側煤幫向采空區(qū)延伸400±200 mm，在此處打設一排錨索。錨索規(guī)格D17.8 mm×5 200 mm，排距1.6 m。

3.1.4巷旁支護

1)留巷斷面確定?？紤]到沿空巷道通風和后期用途,以及軌道巷沿空留巷的施工要求,設計該工作面軌道巷留巷寬度為4 400 mm,凈寬4 200 mm,巷旁支護寬度為1 400 mm。

2)留巷墻體材料選擇。采用三維紡織結構混凝土支護系統(tǒng),該材料是以三維紡織結構柔性模板和對拉錨栓作為增強體,礦用高性能混凝土為基體的復合材料。該模板由外部加筋纖維布和內(nèi)部拉筋組成,為封閉的三維紡織結構,外形與支護體相同,是支護體的預成型體,其上設有自閉灌注口和固定裝置,具有輕質(zhì)高強、施工方便等特性。礦用高性能混凝土滿足自密實、早強、高強等要求。錨栓桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋,鋼號為500號,桿體兩端都設有螺紋,螺紋規(guī)格為M24,采用滾壓加工工藝成型,螺紋長度不小于100 mm,桿體長度為1 400 mm。

3.1.5臨時加強支護設計

所謂巷內(nèi)臨時加強支護,是指在采動劇烈影響區(qū)內(nèi)臨時增設的某種類型的支護,這些支護結構一般在圍巖活動基本穩(wěn)定以后就加以拆除。

1)超前工作面臨時加強支護參數(shù)。在超前工作面50 m范圍內(nèi)沿巷道走向采用“單體液壓支柱+π型長梁”方式進行臨時加強支護，一梁四柱，棚距900 mm±100 mm，π型梁體長度在600 mm～3 800 mm范圍內(nèi)。

2)滯后工作面臨時加強支護參數(shù)。在滯后工作面200 m范圍內(nèi)沿巷道走向采用“單體液壓支柱+π型長梁”方式進行臨時加強支護，一梁四柱，棚距900 mm±100 mm，π型梁體長度不小于3 800 mm。

3.2 礦壓監(jiān)測分析

在3313綜放工作面留巷期間,每隔50 m設置1組礦壓及巷道表面收斂量監(jiān)測站。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)分析得出以下結果:

1)頂板錨索在滯后工作面切眼100 m～110 m時壓力達到峰值,然后緩慢降低并穩(wěn)定;頂板錨桿在滯后工作面切眼30 m～50 m時壓力達到峰值,然后緩慢降低并穩(wěn)定;頂?shù)装遄畲笠平繛?0 mm、兩幫移近量最大為20 mm。

2)沿空留巷內(nèi)充填體無明顯“鉆頂、鉆底”現(xiàn)象,巷道圍巖變形較小、無明顯“頂沉、底鼓、幫鼓”現(xiàn)象,圍巖控制效果良好。

4 結論

唐安煤礦3313綜放工作面沿空留巷的實施,具有以下意義:

1)根據(jù)綜采放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,確定如何提高預留巷道上方煤、巖層的整體性和穩(wěn)定性以及如何切斷頂板巖層的懸臂,使采空區(qū)側頂板巖層沿充填體斷裂是綜采放頂煤工作面沿空留巷的關鍵因素。

2)每個回采工作面可以少掘2條巷,回采巷道掘進率降低60%以上,極大緩解礦井采掘銜接矛盾。實現(xiàn)無煤柱護巷,一方面沿空巷道處于應力降低區(qū),有利于改善巷道維護條件;另一方面消除煤柱影響區(qū)的應力集中,有利于鄰近層的卸壓開采。

3)取消跳采,實現(xiàn)連續(xù)開采,提高了生產(chǎn)集中化程度,有利于礦井高產(chǎn)高效;回采工作面實現(xiàn)了Y型通風,消除了回風隅角瓦斯積聚,保證了礦井安全高效生產(chǎn)。

4)減少地表不均勻沉降,保護生態(tài)環(huán)境。