杜鵬榮

(大陽泉煤炭有限責任公司,山西 陽泉 045000)

留煤柱開采是傳統(tǒng)的煤礦開采護巷方法,由于需要在上區(qū)段運輸巷和下區(qū)段回風巷之間留設寬度約10～30 m的保安煤柱,且該部分煤炭無法回收,因此將造成煤炭資源浪費.而沿空留巷無煤柱開采技術(shù)可較好地解決以上問題,沿空留巷開采可有效提高煤炭采出率,且大幅降低下區(qū)段工作面的巷道掘進施工量,瓦斯治理效果也更好,因此已在我國各大煤礦推廣應用.但由于所留巷道受相鄰兩個工作面采動壓力的影響,巷道圍巖結(jié)構(gòu)破壞明顯,因此需采用合理的支護措施進行巷道維護[1-3].

謝文兵[4]利用數(shù)值模擬方法分析了充填體參數(shù)選擇對支護效果的影響;孫恒虎[5]通過力學理論計算,對沿空留巷頂板壓力、充填體支護阻力等進行了研究.其他學者相關(guān)研究也集中在數(shù)值模擬和理論計算方面,但缺乏與實際工程的深度結(jié)合,本文將以屯蘭礦18403工作面為例,對沿空留巷開采技術(shù)的相關(guān)理論與實際工藝進行研究.

1 工作面概括

18403工作面井下位于屯蘭礦南翼下組煤盤區(qū)右翼,主采8#煤層,煤厚1.80～3.15 m,平均約2.67 m,局部夾一層碳質(zhì)泥巖,平均約0.39 m,煤層整體向南西傾斜,最大傾角8°,最小傾角2°,平均約5°.煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示.

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

18403工作面設膠帶順槽、軌道順槽、切眼、回風巷、底抽巷這5條巷道,如圖1所示.18403工作面西北為18401工作面采空區(qū),東南為18405工作面(已形成回采工作面),東北與南翼下組煤軌道巷相接,西鄰白草塔地面抽放泵站保護煤柱.18403膠帶順槽復用18401軌道順槽沿空留巷,在本工作面下部沿9#煤布置有18403底抽巷,與8#煤底板間距22～29 m,平均25 m.

圖1 18403工作面結(jié)構(gòu)組成

2 沿空留巷圍巖運動規(guī)律

2.1 沿空留巷圍巖變化特點

沿空留巷是指在上區(qū)段工作面回采過程中,通過使用充填支護等方式,對其靠近下區(qū)段一側(cè)的順槽進行維護和保留,以在下區(qū)段工作面回采過程中作為順槽使用其結(jié)構(gòu)如圖2所示.這一技術(shù)可明顯緩解采掘銜接的緊張局面,同時延長礦井服務年限.但是,上區(qū)段工作面回采后,采空區(qū)頂板垮落,巷道上部的圍巖結(jié)構(gòu)隨之變化,根據(jù)相關(guān)文獻所述[6-8],基本頂在斷裂后發(fā)生下沉和回轉(zhuǎn),在充填體的支撐作用下,最終可達到“砌體梁”平衡狀態(tài).由于充填體在切頂時受力較大,充填體將發(fā)生一定程度變形,為防止因充填體強度不足導致的頂板下沉量增大、煤壁大面積片幫、充填體嚴重變形等問題,需根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)變化和支撐強度需求設計合理的充填體結(jié)構(gòu)參數(shù)和充填工藝.

圖2 沿空留巷結(jié)構(gòu)及原理

2.2 圍巖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)計算

2.2.1 基本頂斷裂位置

如圖2所示,沿空留巷上部圍巖的直接頂斷裂后,將斷裂塊體分為關(guān)鍵塊A，B，C這3部分,其中,關(guān)鍵塊B的斷裂位置將影響巷道圍巖的穩(wěn)定性.經(jīng)驗表明,沿空留巷作業(yè)條件下,關(guān)鍵塊B的斷裂位置一般深入下區(qū)段工作面煤壁內(nèi)部,而深入距離X的計算公式如式(1).

(1)

式中：M為工作面巷道高度,m;λ為側(cè)向壓力系數(shù);φ0為所采煤層的內(nèi)摩擦角,(°);K為巷道上方頂板所受地應力的局部集中系數(shù);H為工作面深度,m;γ為頂板容重,MN/m3;C0為所采煤層的內(nèi)聚力,MPa;PZ為巷道內(nèi)支護措施可提供的支護阻力,MPa.計算可知,18403工作面的關(guān)鍵塊B的斷裂位置約在深入煤壁2 m位置.

2.2.2 關(guān)鍵塊B的長度

一般認為,當工作面沿傾向的長度與頂板周期來壓步距的比值大于6時,則基本頂發(fā)生側(cè)向斷裂后的斷裂塊長度與周期來壓步距基本一致.當前18403工作面長度為235 m,周期來壓步距為15～20 m,其比值大于6,因此關(guān)鍵塊B的長度為15～20 m.

3 沿空留巷充填體參數(shù)確定

3.1 工程方法

沿空留巷充填體的設計關(guān)鍵在于充填體寬度的確定,當充填體寬度偏小時,其支護強度低,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,因此在關(guān)鍵塊B的不平衡壓力作用下,容易發(fā)生局部失穩(wěn)變形、開裂;當充填體寬度偏大時,雖然支撐能力增強,可對巷道圍巖進行有效支撐,但相應的充填施工量較大,使用的充填料增多,因此沿空留巷的成本增加,另一方面也易導致巷道底臌變形.因此,充填體寬度對巷道圍巖穩(wěn)定性、使用安全性、開采經(jīng)濟性都有顯著影響,應慎重選擇.

充填體一般常采用矩形截面,墻體高度與采高一致,以保證良好的接頂率,因此18403工作面沿空留巷充填體的平均高度為2.67 m.工程實踐表明,當充填體的寬度與高度比值為0.8～1.0時,可同時滿足經(jīng)濟性和安全性要求,因此,工程方法確定充填體寬度為2.5 m.

3.2 數(shù)值模擬算法

本節(jié)利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,分別對充填體寬度2.0,2.5,3.0 m時的巷道受力和變形進行了分析,以進一步考查不同寬度條件下的巷道穩(wěn)定性情況.

由不同寬度充填體對應的應力云圖(圖3)可知,充填體靠近采空區(qū)一側(cè)所受的壓應力最大,不同充填體寬度對應的最大壓應力依次為18.3,12.1,7.1 MPa,即充填體寬度越大,相應壓應力越小,支護也越安全,但充填體的施工成本和施工時間增加.另外,由應變云圖可知,充填體中部受剪切和拉伸應變影響,充填體寬度為2 m和2.5 m時的應變破壞區(qū)域基本接近,但后者應力較小,因此通過一定的支護加強措施,可有效防止發(fā)生破壞變形,而充填體寬度為3 m時,充填體無明顯破壞性應變.綜合分析可知,充填體寬度為2.5 m時,可兼顧支護安全和成本要求.

圖3 不同充填體寬度的應力及應變云圖

實驗室對此次沿空留巷充填材料進行試驗測定,結(jié)果表明,材料沖模4 h后的強度即達到1.9 MPa,1 d后強度為6.74 MPa,5 d后強度為15.31 MPa,14 d后強度達到22.8 MPa.由此可知,即使充填體寬度僅為2 m時,其最大壓應力也未超過充填體的抗壓強度.但實際生產(chǎn)時,應考慮頂板周期來壓影響和施工經(jīng)濟性,結(jié)合工程方法計算結(jié)果,最終選擇安全系數(shù)略高的2.5 m作為此次充填體寬度.

4 沿空留巷現(xiàn)場工藝方案

4.1 工藝流程及設備

18403工作面沿空留巷充填工藝流程如下:架前支護→移架及拉移模箱→模箱內(nèi)鋼筋網(wǎng)布控→模箱內(nèi)膏體充填→清洗充填泵及管路→充填墻體凝固→噴漿接頂.

充填施工設備選用1臺HBMG-30/21-110S型混凝土充填泵,1臺螺旋輸送機,設備布置于軌道順槽距切眼100 m處,隨回采進行逐步外移.另需1條充填管路,管路沿煤壁側(cè)安裝,需每隔20 m地錨固定.

4.2 工序安排

4.2.1 架前支護

采煤機機尾割煤完成后,及時在模板支架上方鋪設金屬網(wǎng),并用板梁和礦用11#工字鋼按間距0.8 m間隔對頂板進行支護.要求板梁及工字鋼與頂部金屬網(wǎng)用至少3道8#鐵絲捆綁,并與155#液壓支架的搭接長度在500 mm以上.新布置金屬網(wǎng)與原金屬網(wǎng)的搭接長度在200 mm以上.在模板支架前采用“錨桿+托架”進行支護,托架長5 000 mm,錨桿間距2 500 mm,排距800 mm.若頂板已破碎,則錨桿間距應縮短為1 000 mm,排距不變.

4.2.2 移架及拉移模箱

在架前支護完成后,將圖4所示的機尾2臺ZZTM2×11300/19/35H型巷旁充填模板支架拉出,然后再將其后的TM10×1100/21/32型充填模箱拉出.

圖4 充填模板及充填模箱布置

4.2.3 模箱內(nèi)鋼筋網(wǎng)布控

每移架4個步距,進行一次充填準備和充填操作.充填前,首先清理模箱內(nèi)部雜物,并保證模箱內(nèi)底板表面平整;如遇頂板破碎,需先對頂板進行維護.然后,在模箱內(nèi)鋪設直徑8 mm鋼筋網(wǎng)18片,其中10片平行于工作面煤壁,并用12根φ16 mm×1 500 mm直螺紋鋼連接,間距700 mm,在靠近煤壁一側(cè)埋設φ18 mm×1 600 mm彎成直角的螺紋鋼,兩端各800 mm,以備下一個循環(huán)鋪模連接,彎鋼筋一邊緊貼工作面?zhèn)萈VC布,并與底板垂直,另一邊與直鋼筋捆綁牢固.另外8片垂直于工作面煤壁的鋼筋網(wǎng)布置在人行側(cè).鋼筋搭接處每隔100 mm用雙股14#鐵絲連接,絞緊為止.鋼筋網(wǎng)用14#雙股鐵絲每隔200 mm連接一道.

4.2.4 模箱內(nèi)膏體充填

箱體內(nèi)布控好后,架好充填管路,準備充填.然后將膏體混凝土(其主要材料為硅酸鹽、碎石、砂子、粉煤灰等)通過螺旋輸送機輸送到HBMG-30/21-110S充填泵內(nèi),攪拌稠稀合適后輸送到料斗內(nèi),最后通過充填管路輸送至模箱內(nèi).充填模后實時觀察材料堆積狀況,要保證材料充滿模箱且充分接頂[9-11].

4.2.5 清洗充填泵及管路

充填完成后,要及時對充填泵及管路進行清水沖洗,防止內(nèi)部殘余混凝土凝固,影響后續(xù)操作.

4.2.6 充填墻體凝固

待充填混凝土凝固成型,然后跟隨回采拉移模箱.

4.2.7 噴漿接頂

為提高接頂率,使充填體為頂板提供足夠支撐力,在模箱拉出后,需檢查未完全接頂位置,然后繼續(xù)對縫隙進行噴漿,使充填體完全接頂.

5 應用效果

雖然對軌道順槽進行沿空留巷后的服務期限較短,但結(jié)合屯蘭礦生產(chǎn)實際,這種開采方式主要有以下3方面優(yōu)勢:第一,由于屯蘭礦為煤與瓦斯突出礦井,因此沿空留巷所形成的Y型通風,可有效解決回風上隅角瓦斯積聚問題,緩解通風系統(tǒng)壓力,為安全開采提供有力保障;第二,膏體充填沿空留巷技術(shù)的使用,真正實現(xiàn)了無煤柱開采,少送巷道,緩解了屯蘭礦的生產(chǎn)銜接緊張局面;第三,通過沿空留巷,實體煤柱回收率大幅提升,可為企業(yè)創(chuàng)造較大經(jīng)濟效益.

6 結(jié)論

1)屯蘭礦18403工作面關(guān)鍵塊B的長度為15～20 m,關(guān)鍵塊B的斷裂位置約在深入煤壁2 m位置.

2)利用工程計算方法,當充填體的寬度與高度比值為0.8～1.0,可同時滿足經(jīng)濟性和安全性要求,由此確定充填體寬度為2.5 m;另外,數(shù)值模擬軟件計算結(jié)果也支持以上結(jié)論,因此18403工作面沿空留巷支護體寬度確定為2.5 m.

3)沿空留巷現(xiàn)場工藝方案應結(jié)合工程實際,保證工序連接緊湊,充填體結(jié)構(gòu)完整,并通過細化工藝流程保障充填體施工質(zhì)量.