沿空留巷技術在綜采放頂煤工作面的研究與實踐

王晉勇,趙建康

(蘭花科技創業股份有限公司 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,降低冒頂、片幫幾率,提高礦井安全生產水平;改善礦井技術經濟指標,適應新常態。因此,積極推廣無煤柱沿空留巷技術,可以促進煤炭工業的可持續發展,提高煤礦安全生產水平,保證國家能源戰略安全。

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,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。頂板采用錨網索+W鋼帶聯合支護。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”聯合支護,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規律

綜采放頂煤工作面礦壓顯現明顯,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側持續旋轉下沉、沿空留巷圍巖應力增大并于沿空留巷內集中顯現,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”、向采空區側傾倒并發生破碎。

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生切縫,即切頂線;隨著工作面的不斷推進,采空區頂板周期性來壓,巷道采空區側頂板沿切縫垮落形成留巷巷幫,進而實現切頂卸壓沿空留巷,大大減輕采空區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的懸臂,斷開了巷道頂板與采空區側頂板的聯系,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旋轉下沉,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頂板,隔離采空區或減輕巷內支架的受力等。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生的動載。

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

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,有效避免巷內頂板臺階下沉和大變形。

通過切頂卸壓,消除懸頂現象,降低沿空巷道頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉變形壓力,從而大大減小了巖梁傳遞到巷旁和巷內支護的荷載,從根本上改善巷道的力學環境。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: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,頂板穩定性越差,采空區有害氣體和矸石涌入留巷內的數量和機會就越多。

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)采空區頂板錨索支護。根據井下現場觀察，回采工作面綜放支架移架后采空區頂煤和直接頂隨采隨垮，僅僅依靠金屬網無法有效阻擋采空區矸石，容易造成支架向巷內偏移，導致墻體不平直，影響留巷復用。因此，生產班移架后，在頂網的保護下，沿軌道巷回采側煤幫向采空區延伸400±200 mm，在此處打設一排錨索。錨索規格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。考慮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,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

所謂巷內臨時加強支護,是指在采動劇烈影響區內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定以后就加以拆除。

1)超前工作面臨時加強支護參數。在超前工作面50 m范圍內沿巷道走向采用“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。

2)滯后工作面臨時加強支護參數。在滯后工作面200 m范圍內沿巷道走向采用“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測站。根據觀測數據分析得出以下結果:

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,然后緩慢降低并穩定;頂底板最大移近量為30 mm、兩幫移近量最大為20 mm。

2)沿空留巷內充填體無明顯“鉆頂、鉆底”現象,巷道圍巖變形較小、無明顯“頂沉、底鼓、幫鼓”現象,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)根據綜采放頂煤工作面礦壓顯現規律,確定如何提高預留巷道上方煤、巖層的整體性和穩定性以及如何切斷頂板巖層的懸臂,使采空區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。實現無煤柱護巷,一方面沿空巷道處于應力降低區,有利于改善巷道維護條件;另一方面消除煤柱影響區的應力集中,有利于鄰近層的卸壓開采。

3)取消跳采,實現連續開采,提高了生產集中化程度,有利于礦井高產高效;回采工作面實現了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。

4)減少地表不均勻沉降,保護生態環境。