朱莊煤礦Ⅲ635工作面機巷沿空留巷補強支護分析

張家委,盧 碩,楊敬軒

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

淮北礦業集團股份有限公司朱莊煤礦位于安徽省淮北市杜集區礦山集鎮境內,現核定生產能力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,隨著煤礦生產效率的提高,礦井6煤開采接替緊張。通過調研分析,決定在Ⅲ635工作面回采過程中實施沿空留巷作業,降低工作面回采巷道掘進工程量,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過程中,留巷一側緊鄰采空區,受采空側覆巖運移礦壓作用,沿空巷道不同區段受動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段受雙向應力疊加影響,礦山壓力顯現比較明顯。沿空巷道臨時支護區采空側頂板運移尚未完全穩定,巷道圍巖變形量通常比較大[5-8]。據此,圍繞朱莊煤礦Ⅲ635工作面機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,受工作面采動影響,需要在巷道原有支護強度基礎上進一步實施補強支護措施,保持留巷圍巖的穩定性以供長期使用。

1 工作面地質概況

朱莊煤礦Ⅲ635工作面所采煤層為6煤,層位屬于二疊系下統山西組,煤厚1.7～3.3 m,均厚2.6 m,煤層結構簡單,賦存穩定,煤層傾角5°～28°,平均13°.工作面頂板巖性多為砂質泥巖、粉砂巖、中細粒砂巖,累計厚度45～50 m,煤層底板為砂質泥巖、中細粒砂巖、泥巖,累計厚度51 m.煤層頂底板賦存條件如表1所示。

工作面煤層硬度較低,普氏系數約為1.0,直接頂硬度普氏系數為4～5.Ⅲ635工作面為Ⅲ63采區東翼第3個工作面,走向長度532 m,傾向長度189 m,標高-513～-579 m,上區段Ⅲ633工作面已開采完畢,下區段Ⅲ637工作面正在掘進。工作面平面布置關系如圖1所示。

表1 煤層頂底板情況

1—超前支護區;2—端頭支護區;3—臨時支護區;4—成巷穩定區

Ⅲ635工作面機巷作為切頂留巷對象,計劃服務于下一區段的Ⅲ637工作面回采。根據巷道圍巖受力、采場礦壓顯現特點、巷道支護方式及擋矸、補強支護等因素,提出對工作面沿空巷道分區劃分分區治理的思路。

朱莊煤礦首次開展沿空留巷作業,無類似條件巷道頂板礦壓實測數據,參考相鄰III633工作面礦壓數據(見表2)預估本工作面礦壓顯現,為沿空巷道支護設計提供參考。

表2 Ⅲ633工作面礦壓數據

根據III633工作面的礦壓觀測數據以及礦壓理論中給出的采空區頂板穩定時空關系,將III635工作面前方0～30 m劃分為超前支護區,工作面后方0～100 m劃分為臨時支護區,工作面后方100 m之外范圍劃分為成巷穩定區。

2 沿空巷道補強支護

爆破切頂沿空留巷作業是一項多工序協調工藝過程,如圖2所示。

圖2 切頂留巷工藝流程

根據工作面開采中的覆巖運移及巷道礦壓顯現特征,切頂留巷補強支護區主要集中在巷道的超前支護區和留巷臨時支護區。

2.1 超前支護區的補強支護

工作面超前支護區是工作面開采中的常態化重點支護區域,該區段范圍的巷道圍巖受采場雙向應力疊加影響,礦壓顯現強度普遍偏高。切頂留巷條件下,通常采用錨索/恒阻錨索進行加強支護,頂板不完整條件下還需要補打單體支柱。同理,針對朱莊煤礦III635工作面機巷的沿空留巷作業,同樣需要進行超前加強支護工作。為了保證切頂留巷過程中頂板的穩定,采取的補強支護措施為“錨索+W型鋼帶、錨索+鋼托板”如圖3所示。

圖3 巷道超前支護區加強支護(單位:mm)

2.2 臨時支護區的補強支護

沿空巷道臨時支護區采空側頂板活動尚未完全穩定,對應的覆巖結構如圖4所示。

圖4 臨時支護區頂板支護范圍

沿空巷道臨時支護區頂板有效支護范圍為圖中棕色線條標識,對應的支護高度與采空區頂板冒落帶高度一致。據此,計算頂板失穩條件下的巷道支護強度。根據采高及上覆巖層碎脹系數計算采空區冒落高度:

(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,取1.2.

根據采空區冒落帶高度,計算臨時支護區巷道支護強度:

P=Hγcosα

(2)

式中:P為巷道支護強度,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°.

聯立式(1)和式(2),得到III635工作面機巷臨時支護區支護強度為424 kN/m2.考慮頂板完全失穩條件,計算10 m長巷道覆巖控制區所需支撐力為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,巷道兩側各安置1架垛式支架,支架排距為2.5 m,對應的補強支護斷面如圖5所示。

圖5 臨時支護區補強支護(單位:mm)

朱莊煤礦Ⅲ635工作面機巷臨時支護區局部頂板破碎,為保障巷道的成功留設,采取了頂板錨索補強支護措施。采用直徑21.8 mm、長度10.3 m的恒阻錨索沿巷道走向布置4列,如圖6所示。

圖6 臨時支護區破碎頂板支護(單位:mm)

2.3 支護強度驗算

沿空留巷條件下,機巷超前爆破切頂,對于工作面采動應力的阻隔起到重要作用。結合Ⅲ635工作面切頂留巷工程實踐,得到的巷道超前切頂覆巖結構如圖7所示。

圖7 爆破切頂下的覆巖結構

工作面機巷超前支護段頂板由于切頂線的阻隔作用,來源于工作面側向頂板的應力傳載相對較小,考慮來自工作面走向的應力集中影響,留巷支護阻力主要來源于頂板自身載荷及頂板走向斷裂附加載荷。根據錨桿懸吊理論,合理的錨桿支護強度應包含懸吊頂板重量及采動應力。

1) 切頂后的機巷懸吊重量。朱莊煤礦Ⅲ635工作面機巷切頂高度為16.5 m,考慮切頂高度范圍內頂板全層失穩狀況,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為單位巷道長度,m.

2) 頂板走向斷裂影響。考慮工作面采動影響,巷道頂板走向斷裂存在應力附加影響。根據工作面采動影響,確定頂板擾動載荷為:

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

(4)

式中:F2為頂板斷裂擾動載荷,kN;λ為工作面采動影響系數。

工作面回采前需在巷道超前段進行補強支護。根據恒阻錨索布置方式,計算巷道頂板的延米支護阻力為:

F3=nT/d=6×420/1.6=1 575(kN)

(5)

式中:F3為錨索延米補強支護力,kN;n為補強錨索根數;d錨索支護長度,m.

考慮采動影響及時間效應,錨桿支護阻力按照150 kN/根計算,錨索支護阻力按照350 kN/根計算,原支護方式下的巷道延米支護阻力為:

F4=nT1/d1+n2T2/d2=6×150/0.8+2×350/0.8

=2 000(kN)

(6)

式中:F4為原支護方式下的延米支護阻力,kN;n1為錨桿根數;T1為單根錨桿支護力,kN;d1為單根錨桿有效支護長度,m;n2為錨索根數;T2為單根錨索支護力,kN;d2為單根錨索有效支護長度,m.

補強支護條件下,采取了垛式支架超前支護方式,每臺支架支護阻力為2 400 kN,延米支護強度為:

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

(7)

式中:F5為垛式支架延米支護阻力,kN;T3為單架支護力,kN;d3為單架支護長度,m.

綜上分析,得到原支護以及補強支護條件下的巷道延米支護阻力為:

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

(8)

式中:F為巷道超前段支護阻力,kN.

為了保障切頂作業過程中頂板的穩定,Ⅲ635工作面機巷超前支護段內靠近實體煤側還保留了一排單體支柱。考慮工作面采動影響,由式(4)和式(8)可以看出,補強支護條件下的巷道延米支護阻力大于頂板失穩條件下的支護需求。

2.4 沿空巷道支護效果

巷道圍巖變形量大小是沿空巷道留巷效果的最直觀體現,包括巷道頂底板及兩幫相對移近量。據此,自工作面收作線到切眼煤壁位置,每間隔20 m設置1組圍巖變形觀測點,每周觀測1次。采用十字交叉布點的方式觀測分析巷道圍巖變形,得到的2022年3月份巷道圍巖變形數據,如圖8所示。

圖8 2022年3月份巷道圍巖變形觀測結果

工作面3月份生產期間,沿空巷道內可用于圍巖變形觀測的測點有9個,監測分析結果顯示,對應工作面推進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據如圖9所示。

圖9 2022年6月份巷道圍巖變形觀測結果

整個6月份期間,工作面推進緩慢,對應的測點數量增加到了20個。頂底板相對移近量達到685 mm,兩幫移近量達到了625 mm.可見,緩慢的工作面推進度將不利于巷道圍巖支護,增加了巷道維護難度,需要適當調整該區段范圍內的垛式支架間距。

綜上,通過在Ⅲ635工作面機巷超前支護區和臨時支護區內開展補強支護作業,保障了沿空巷道的成功留設。沿空巷道圍巖變形觀測結果表明,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 語

1) 根據鄰近已采工作面的礦壓顯現特點,對朱莊煤礦Ⅲ635工作面機巷沿空巷道進行了分區劃分,確定開展留巷超前支護區和臨時支護區的補強支護設計。

2) 計算分析了留巷超前支護區和臨時支護區的補強支護強度,通過采取“垛式支架+單體支柱+恒阻錨索”的組合支護形式,滿足了巷道支護要求,巷道圍巖變形有限,確保了沿空巷道的成功留設。