檸條塔煤礦大采高工作面110工法擋矸支護(hù)實(shí)踐

陳萬(wàn)勝，劉 輝，陳 菲，陳奎奎

(1.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

本世紀(jì)初，何滿潮院士[1-3]提出了“切頂短臂梁”理論和無(wú)煤柱自成巷開采技術(shù)[4-6](或稱110工法)，該技術(shù)采用雙向聚能張拉成型爆破技術(shù)[7-11]超前預(yù)裂頂板，在采場(chǎng)周期來(lái)壓作用下將頂板按設(shè)計(jì)位置切落，從而切斷了頂板的應(yīng)力傳遞；利用矸石自身碎脹特性使垮落的矸石碎脹后形成對(duì)上覆巖層的支撐結(jié)構(gòu)，以達(dá)到控制上覆巖層的回轉(zhuǎn)和下沉變形的目的；同時(shí)切落的頂板在擋矸支護(hù)作用下自動(dòng)形成巷幫，隔斷采空區(qū)，進(jìn)而保留該順槽巷道作為相鄰工作面的回采巷道繼續(xù)服務(wù)。該工法減小了采掘比，實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤柱開采，避免了留設(shè)煤柱造成的資源浪費(fèi)，提高了回收率，同時(shí)有效防止了留設(shè)煤柱引發(fā)的應(yīng)力集中、沖擊地壓、煤層自燃等煤礦災(zāi)害[12-16]。

根據(jù)110工法施工特點(diǎn)，工作面回采后頂板巖石將逐漸垮落，矸石在垮落、擠壓、碰撞的過(guò)程中有向巷內(nèi)竄出的趨勢(shì)，同時(shí)碎石幫在未壓實(shí)穩(wěn)定時(shí)容易向巷內(nèi)鼓出變形，因此實(shí)施過(guò)程中必須對(duì)采空區(qū)巷幫進(jìn)行擋矸支護(hù)。針對(duì)該問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)矸石飛竄的防治問題做了一些研究。例如，曹樹剛等[17-19]研制了帶金屬網(wǎng)的四門組合輕型架間擋矸裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬證明了其安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便易換等特性；丁成群等[20]針對(duì)大傾角高檔普采工作面研制了液壓擋矸裝置，有效地控制了大塊矸石滾落傷人現(xiàn)象。然而，大采高開采條件下煤層厚、采出空間大，在切頂留巷過(guò)程中，大采高工作面頂板巖體垮落至底板時(shí)動(dòng)能比采高較小時(shí)更為強(qiáng)烈，給留設(shè)巷道采空區(qū)側(cè)的巷幫支護(hù)帶來(lái)很大困難。為此，以檸條塔煤礦大采高工作面110工法工程試驗(yàn)為背景，通過(guò)擋矸支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比選，對(duì)最優(yōu)擋矸支護(hù)方式、支護(hù)材料進(jìn)行探索。

1 工程概況

檸條塔井田位于陜西省神木縣中部，為神府東勝礦區(qū)的一部分(神南礦區(qū))，進(jìn)行110工法試驗(yàn)的S1201工作面為典型的厚煤層大采高綜采工作面。S1201工作面位于井下南翼2-2號(hào)煤西大巷北側(cè)，走向長(zhǎng)3 010.3 m，傾斜長(zhǎng)295 m，面積888 038.5 m2。工作面采用一次采全高、走向長(zhǎng)壁后退式、綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。該工作面煤層厚度4.17～4.80 m，設(shè)計(jì)采高4.35 m。直接頂為灰色薄層狀粉砂巖，厚度為2.82～5.04 m，直接底為0～1.3 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為淺灰色、淺白色細(xì)粒石英砂巖，厚度5.4～20.63 m。該工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果顯示，基本頂周期來(lái)壓步距平均為16.2 m，周期來(lái)壓強(qiáng)度平均為42.7 MPa。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于檸條塔煤礦S1201工作面頂板以砂巖為主，垮落的矸石塊整體較大，導(dǎo)致側(cè)向沖擊力較大，同時(shí)針對(duì)檸條塔煤礦的大采高條件，為探索經(jīng)濟(jì)有效的擋矸支護(hù)方式和支護(hù)材料，研究過(guò)程中設(shè)計(jì)了多種擋矸支護(hù)方案并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比選。擋矸支護(hù)試驗(yàn)方案主要有9種(詳見表1)，試驗(yàn)位置如圖1所示。

表1 擋矸試驗(yàn)方案Table 1 Test scheme of retaining gangue

圖1 擋矸試驗(yàn)位置分區(qū)Fig.1 Location division of gangue retaining test

3 試驗(yàn)效果分析

由于不同擋矸方式的材料強(qiáng)度和抗彎性能不同，因此在采空區(qū)矸石的沖擊力作用下將會(huì)產(chǎn)生不同程度的反映，以最大幫鼓量為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)效果分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同擋矸方案最大幫鼓量統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of maximum side heave amount of different gangue retaining schemes

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用方案5(全部采用單體液壓支柱)和方案9(堆砌擋矸墻)幫鼓量較小，主要原因是單體液壓支柱有初撐力，與頂板作用力較大，單體與頂板相互作用產(chǎn)生摩擦力，能夠起到較好的擋矸作用。期間試驗(yàn)5 m距離的擋矸墻，墻體在U型鋼外進(jìn)行堆砌，因此幾乎無(wú)幫鼓變形，然而砌墻不僅工程量大而且施工復(fù)雜，巷道下沉較大時(shí)容易產(chǎn)生龜裂、坍塌。

方案6、7、8巷幫最大變形量較為接近，主要原因是采用了單體斜撐。單體斜撐能夠提供較大的水平抵抗力，防止巷幫鼓出，因此對(duì)于大采高，采用單體斜撐是一種防止幫鼓的有效方法。

方案1、2、3、4變形量較其它方案大，分析其原因?yàn)椴捎霉ぷ咒摶蚰军c(diǎn)柱作為擋矸支護(hù)材料，木點(diǎn)柱極易與頂板脫頂，只剩間距較大的單體擋矸；工字鋼抗彎性能較差，導(dǎo)致幫鼓量增大。對(duì)工字鋼、U型鋼和單體支柱的彎曲損壞個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，工字鋼是最容易損壞的擋矸設(shè)備，而單體和U型鋼損壞相對(duì)較少。

圖3 不同擋矸設(shè)備損壞所占比例Fig.3 Damage ratio of different gangue retaining equipment

綜合分析可知，單體液壓支柱和U型鋼是抗彎性能較好的擋矸材料，擋矸效果良好。然而，單體液壓支柱成本高，且彎曲后無(wú)法循環(huán)利用，因此最終確定采用U型鋼+單體斜撐(即方案8)的擋矸支護(hù)方式。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)效果，確定U型鋼支護(hù)間距為600 mm，最終擋矸支護(hù)效果如圖4所示。

圖4 最終擋矸方案Fig.4 Final gangue retaining scheme

4 擋矸支護(hù)施工應(yīng)用

在機(jī)頭位置工作時(shí)，作業(yè)人員需在空頂下作業(yè)，容易造成安全隱患。因此，端頭架的移動(dòng)方式相對(duì)傳統(tǒng)工藝應(yīng)做適當(dāng)改變。如圖5所示，端頭支架3向工作面中部移動(dòng)一段距離使端頭支架3的右邊界與巷道正幫齊平，端頭支架1、2向工作面前方移動(dòng)0.8 m，給工作人員留出空間進(jìn)行掛網(wǎng)擋矸及臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)施工，保證施工安全，過(guò)程中用到的材料設(shè)備可通過(guò)聯(lián)巷輸送。

圖5 端頭架移動(dòng)位置示意Fig.5 Schematic diagram of moving position of end support

施工前需做好準(zhǔn)備工作，將所有使用材料提前運(yùn)至指定地點(diǎn)。然后進(jìn)行隱患排查，處理安全隱患，應(yīng)將周圍雜物及其他閑置備件等全部運(yùn)走，并經(jīng)確認(rèn)安全后方可進(jìn)行施工。擋矸支護(hù)施工示意圖，如圖6所示。

圖6 擋矸支護(hù)施工示意Fig.6 Construction sketch of gangue retaining support

待巷道內(nèi)的1、2號(hào)端頭架移架后，及時(shí)進(jìn)行架后臨時(shí)支護(hù)，架設(shè)“一梁五柱”。進(jìn)行掛網(wǎng)作業(yè)時(shí)，應(yīng)防止采空區(qū)矸石躥入巷道，可首先鋪設(shè)鐵絲網(wǎng)，將其中一端與巷幫頂部網(wǎng)搭接，另一端與底板接觸，而后固定鋼筋網(wǎng)。按照設(shè)計(jì)參數(shù)使用U型鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)，U型鋼沿巷道走向呈一條直線，為防止U型鋼與底板之間發(fā)生滑動(dòng)，底部臥底200 mm。在本試驗(yàn)方案的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，從未發(fā)生垮落矸石竄入巷道導(dǎo)致傷人、毀壞設(shè)備的現(xiàn)象，為井下的安全生產(chǎn)提供了保障，在同樣的生產(chǎn)條件下大大的提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

(1)擋矸試驗(yàn)中依據(jù)巷道幫鼓量、擋矸結(jié)構(gòu)失效情況、擋矸成本等因素綜合確定可伸縮U型鋼支護(hù)是一種很好的擋矸支護(hù)方式；通過(guò)對(duì)比9種擋矸支護(hù)方案的試驗(yàn)結(jié)果，得到了安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效的擋矸支護(hù)方案：全部U型鋼+斜撐。

(2)通過(guò)本支護(hù)方案的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，有效防止了垮落矸石躥入巷道內(nèi)以及碎石幫在未壓實(shí)穩(wěn)定時(shí)向巷內(nèi)鼓出變形，對(duì)人員和設(shè)備的安全提供了重要保障，同時(shí)該研究結(jié)果亦為類似條件下巷幫支護(hù)設(shè)計(jì)提供了參考，對(duì)切頂留巷技術(shù)的進(jìn)一步推廣具有重要意義。