張家委,盧 碩,楊敬軒

(1.淮北礦業(yè)股份有限公司 朱莊煤礦,安徽 淮北 235047;2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

淮北礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司朱莊煤礦位于安徽省淮北市杜集區(qū)礦山集鎮(zhèn)境內(nèi),現(xiàn)核定生產(chǎn)能力220萬噸/年。礦井Ⅲ635工作面開采6煤,上覆3、4、5煤層受巖漿侵蝕,均不可采。近年來,隨著煤礦生產(chǎn)效率的提高,礦井6煤開采接替緊張。通過調(diào)研分析,決定在Ⅲ635工作面回采過程中實(shí)施沿空留巷作業(yè),降低工作面回采巷道掘進(jìn)工程量,提高煤炭資源回收率,解決礦井緊張接替問題。但是,工作面沿空留巷作業(yè)過程中,留巷一側(cè)緊鄰采空區(qū),受采空側(cè)覆巖運(yùn)移礦壓作用,沿空巷道不同區(qū)段受動(dòng)壓影響程度不盡相同[1-4]。一般情況下,回采巷道的超前支護(hù)段受雙向應(yīng)力疊加影響,礦山壓力顯現(xiàn)比較明顯。沿空巷道臨時(shí)支護(hù)區(qū)采空側(cè)頂板運(yùn)移尚未完全穩(wěn)定,巷道圍巖變形量通常比較大[5-8]。據(jù)此,圍繞朱莊煤礦Ⅲ635工作面機(jī)巷沿空留巷工程背景,為了保證工作面沿空巷道的成功留設(shè),受工作面采動(dòng)影響,需要在巷道原有支護(hù)強(qiáng)度基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施,保持留巷圍巖的穩(wěn)定性以供長(zhǎng)期使用。

1 工作面地質(zhì)概況

朱莊煤礦Ⅲ635工作面所采煤層為6煤,層位屬于二疊系下統(tǒng)山西組,煤厚1.7～3.3 m,均厚2.6 m,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,賦存穩(wěn)定,煤層傾角5°～28°,平均13°.工作面頂板巖性多為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中細(xì)粒砂巖,累計(jì)厚度45～50 m,煤層底板為砂質(zhì)泥巖、中細(xì)粒砂巖、泥巖,累計(jì)厚度51 m.煤層頂?shù)装遒x存條件如表1所示。

工作面煤層硬度較低,普氏系數(shù)約為1.0,直接頂硬度普氏系數(shù)為4～5.Ⅲ635工作面為Ⅲ63采區(qū)東翼第3個(gè)工作面,走向長(zhǎng)度532 m,傾向長(zhǎng)度189 m,標(biāo)高-513～-579 m,上區(qū)段Ⅲ633工作面已開采完畢,下區(qū)段Ⅲ637工作面正在掘進(jìn)。工作面平面布置關(guān)系如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

1—超前支護(hù)區(qū);2—端頭支護(hù)區(qū);3—臨時(shí)支護(hù)區(qū);4—成巷穩(wěn)定區(qū)

Ⅲ635工作面機(jī)巷作為切頂留巷對(duì)象,計(jì)劃服務(wù)于下一區(qū)段的Ⅲ637工作面回采。根據(jù)巷道圍巖受力、采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)、巷道支護(hù)方式及擋矸、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等因素,提出對(duì)工作面沿空巷道分區(qū)劃分分區(qū)治理的思路。

朱莊煤礦首次開展沿空留巷作業(yè),無類似條件巷道頂板礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),參考相鄰III633工作面礦壓數(shù)據(jù)(見表2)預(yù)估本工作面礦壓顯現(xiàn),為沿空巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

表2 Ⅲ633工作面礦壓數(shù)據(jù)

根據(jù)III633工作面的礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)以及礦壓理論中給出的采空區(qū)頂板穩(wěn)定時(shí)空關(guān)系,將III635工作面前方0～30 m劃分為超前支護(hù)區(qū),工作面后方0～100 m劃分為臨時(shí)支護(hù)區(qū),工作面后方100 m之外范圍劃分為成巷穩(wěn)定區(qū)。

2 沿空巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

爆破切頂沿空留巷作業(yè)是一項(xiàng)多工序協(xié)調(diào)工藝過程,如圖2所示。

圖2 切頂留巷工藝流程

根據(jù)工作面開采中的覆巖運(yùn)移及巷道礦壓顯現(xiàn)特征,切頂留巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)區(qū)主要集中在巷道的超前支護(hù)區(qū)和留巷臨時(shí)支護(hù)區(qū)。

2.1 超前支護(hù)區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

工作面超前支護(hù)區(qū)是工作面開采中的常態(tài)化重點(diǎn)支護(hù)區(qū)域,該區(qū)段范圍的巷道圍巖受采場(chǎng)雙向應(yīng)力疊加影響,礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度普遍偏高。切頂留巷條件下,通常采用錨索/恒阻錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),頂板不完整條件下還需要補(bǔ)打單體支柱。同理,針對(duì)朱莊煤礦III635工作面機(jī)巷的沿空留巷作業(yè),同樣需要進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)工作。為了保證切頂留巷過程中頂板的穩(wěn)定,采取的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施為“錨索+W型鋼帶、錨索+鋼托板”如圖3所示。

圖3 巷道超前支護(hù)區(qū)加強(qiáng)支護(hù)(單位:mm)

2.2 臨時(shí)支護(hù)區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

沿空巷道臨時(shí)支護(hù)區(qū)采空側(cè)頂板活動(dòng)尚未完全穩(wěn)定,對(duì)應(yīng)的覆巖結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 臨時(shí)支護(hù)區(qū)頂板支護(hù)范圍

沿空巷道臨時(shí)支護(hù)區(qū)頂板有效支護(hù)范圍為圖中棕色線條標(biāo)識(shí),對(duì)應(yīng)的支護(hù)高度與采空區(qū)頂板冒落帶高度一致。據(jù)此,計(jì)算頂板失穩(wěn)條件下的巷道支護(hù)強(qiáng)度。根據(jù)采高及上覆巖層碎脹系數(shù)計(jì)算采空區(qū)冒落高度:

(1)

式中:H為冒落帶高度,m;M為采高,最大采高取3.3 m;k為上覆巖層碎脹系數(shù),取1.2.

根據(jù)采空區(qū)冒落帶高度,計(jì)算臨時(shí)支護(hù)區(qū)巷道支護(hù)強(qiáng)度:

P=Hγcosα

(2)

式中:P為巷道支護(hù)強(qiáng)度,kN/m2;γ為頂板巖石容重,取25 kN/m3;α為工作面煤層傾角,取5°～28°.

聯(lián)立式(1)和式(2),得到III635工作面機(jī)巷臨時(shí)支護(hù)區(qū)支護(hù)強(qiáng)度為424 kN/m2.考慮頂板完全失穩(wěn)條件,計(jì)算10 m長(zhǎng)巷道覆巖控制區(qū)所需支撐力為19 504 kN.朱莊煤礦使用的ZQ2400/19/40液壓垛式支架工作阻力為2 400 kN/架,需液壓支架9架,巷道兩側(cè)各安置1架垛式支架,支架排距為2.5 m,對(duì)應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面如圖5所示。

圖5 臨時(shí)支護(hù)區(qū)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)(單位:mm)

朱莊煤礦Ⅲ635工作面機(jī)巷臨時(shí)支護(hù)區(qū)局部頂板破碎,為保障巷道的成功留設(shè),采取了頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。采用直徑21.8 mm、長(zhǎng)度10.3 m的恒阻錨索沿巷道走向布置4列,如圖6所示。

圖6 臨時(shí)支護(hù)區(qū)破碎頂板支護(hù)(單位:mm)

2.3 支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

沿空留巷條件下,機(jī)巷超前爆破切頂,對(duì)于工作面采動(dòng)應(yīng)力的阻隔起到重要作用。結(jié)合Ⅲ635工作面切頂留巷工程實(shí)踐,得到的巷道超前切頂覆巖結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 爆破切頂下的覆巖結(jié)構(gòu)

工作面機(jī)巷超前支護(hù)段頂板由于切頂線的阻隔作用,來源于工作面?zhèn)认蝽敯宓膽?yīng)力傳載相對(duì)較小,考慮來自工作面走向的應(yīng)力集中影響,留巷支護(hù)阻力主要來源于頂板自身載荷及頂板走向斷裂附加載荷。根據(jù)錨桿懸吊理論,合理的錨桿支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)包含懸吊頂板重量及采動(dòng)應(yīng)力。

1) 切頂后的機(jī)巷懸吊重量。朱莊煤礦Ⅲ635工作面機(jī)巷切頂高度為16.5 m,考慮切頂高度范圍內(nèi)頂板全層失穩(wěn)狀況,得到巷道頂板的延米懸吊重量為:

F1=ρghab=2.6×10×16.5×4.8×1=2 059.2(kN)

(3)

式中:F1為巷道延米懸吊重量,kN;ρ為頂板平均密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;h為切頂高度,m;a為巷道寬度,m;b為單位巷道長(zhǎng)度,m.

2) 頂板走向斷裂影響?？紤]工作面采動(dòng)影響,巷道頂板走向斷裂存在應(yīng)力附加影響。根據(jù)工作面采動(dòng)影響,確定頂板擾動(dòng)載荷為:

F2=λF1=(1～2)×2 059.2=2 059.2～4 118.4(kN)

(4)

式中:F2為頂板斷裂擾動(dòng)載荷,kN;λ為工作面采動(dòng)影響系數(shù)。

工作面回采前需在巷道超前段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)恒阻錨索布置方式,計(jì)算巷道頂板的延米支護(hù)阻力為:

F3=nT/d=6×420/1.6=1 575(kN)

(5)

式中:F3為錨索延米補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)力,kN;n為補(bǔ)強(qiáng)錨索根數(shù);d錨索支護(hù)長(zhǎng)度,m.

考慮采動(dòng)影響及時(shí)間效應(yīng),錨桿支護(hù)阻力按照150 kN/根計(jì)算,錨索支護(hù)阻力按照350 kN/根計(jì)算,原支護(hù)方式下的巷道延米支護(hù)阻力為:

F4=nT1/d1+n2T2/d2=6×150/0.8+2×350/0.8

=2 000(kN)

(6)

式中:F4為原支護(hù)方式下的延米支護(hù)阻力,kN;n1為錨桿根數(shù);T1為單根錨桿支護(hù)力,kN;d1為單根錨桿有效支護(hù)長(zhǎng)度,m;n2為錨索根數(shù);T2為單根錨索支護(hù)力,kN;d2為單根錨索有效支護(hù)長(zhǎng)度,m.

補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)條件下,采取了垛式支架超前支護(hù)方式,每臺(tái)支架支護(hù)阻力為2 400 kN,延米支護(hù)強(qiáng)度為:

F5=T3/d3=2 400/3=800(kN)

(7)

式中:F5為垛式支架延米支護(hù)阻力,kN;T3為單架支護(hù)力,kN;d3為單架支護(hù)長(zhǎng)度,m.

綜上分析,得到原支護(hù)以及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)條件下的巷道延米支護(hù)阻力為:

F=F3+F4+F5=2 400/3=4 375(kN)

(8)

式中:F為巷道超前段支護(hù)阻力,kN.

為了保障切頂作業(yè)過程中頂板的穩(wěn)定,Ⅲ635工作面機(jī)巷超前支護(hù)段內(nèi)靠近實(shí)體煤側(cè)還保留了一排單體支柱?？紤]工作面采動(dòng)影響,由式(4)和式(8)可以看出,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)條件下的巷道延米支護(hù)阻力大于頂板失穩(wěn)條件下的支護(hù)需求。

2.4 沿空巷道支護(hù)效果

巷道圍巖變形量大小是沿空巷道留巷效果的最直觀體現(xiàn),包括巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量。據(jù)此,自工作面收作線到切眼煤壁位置,每間隔20 m設(shè)置1組圍巖變形觀測(cè)點(diǎn),每周觀測(cè)1次。采用十字交叉布點(diǎn)的方式觀測(cè)分析巷道圍巖變形,得到的2022年3月份巷道圍巖變形數(shù)據(jù),如圖8所示。

圖8 2022年3月份巷道圍巖變形觀測(cè)結(jié)果

工作面3月份生產(chǎn)期間,沿空巷道內(nèi)可用于圍巖變形觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)有9個(gè),監(jiān)測(cè)分析結(jié)果顯示,對(duì)應(yīng)工作面推進(jìn)117 m,工作面周期來壓期間,滯后工作面煤壁15～75 m范圍,沿空巷道圍巖變形顯著增大,正幫變形量最大為255 mm,副幫無明顯變形。

同理,得到工作面2022年6月份開采期間的巷道圍巖變形數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 2022年6月份巷道圍巖變形觀測(cè)結(jié)果

整個(gè)6月份期間,工作面推進(jìn)緩慢,對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)數(shù)量增加到了20個(gè)。頂?shù)装逑鄬?duì)移近量達(dá)到685 mm,兩幫移近量達(dá)到了625 mm.可見,緩慢的工作面推進(jìn)度將不利于巷道圍巖支護(hù),增加了巷道維護(hù)難度,需要適當(dāng)調(diào)整該區(qū)段范圍內(nèi)的垛式支架間距。

綜上,通過在Ⅲ635工作面機(jī)巷超前支護(hù)區(qū)和臨時(shí)支護(hù)區(qū)內(nèi)開展補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)作業(yè),保障了沿空巷道的成功留設(shè)。沿空巷道圍巖變形觀測(cè)結(jié)果表明,留巷段平均底鼓量380 mm,頂板下沉平均位移量80 mm;留巷正幫平均位移量320 mm、副幫平均位移量30 mm,巷道圍巖變形有限,保證了沿空巷道的正常使用。

3 結(jié) 語

1) 根據(jù)鄰近已采工作面的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn),對(duì)朱莊煤礦Ⅲ635工作面機(jī)巷沿空巷道進(jìn)行了分區(qū)劃分,確定開展留巷超前支護(hù)區(qū)和臨時(shí)支護(hù)區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)。

2) 計(jì)算分析了留巷超前支護(hù)區(qū)和臨時(shí)支護(hù)區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度,通過采取“垛式支架+單體支柱+恒阻錨索”的組合支護(hù)形式,滿足了巷道支護(hù)要求,巷道圍巖變形有限,確保了沿空巷道的成功留設(shè)。