超長沿空留巷擋矸支架隨采隨裝技術研究

劉忠平,馬 亮,高 亮,曹宇翔,王守印,劉永東,孫國強

(1.陜西開拓建筑科技有限公司,陜西 西安 710054; 2.陜西開拓新礦業工程有限公司,陜西 西安 710054;3.西安綠色礦業研究院有限公司,陜西 西安 710054; 4.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司,陜西 神木 719300)

柔模沿空留巷[1-3]是在沿空留巷專用支架的防護下通過混凝土泵將高性能混凝土注入三維紡織結構柔性模板內,在采空區與巷道之間構筑一道密實接頂、快硬高強的柔模混凝土連續墻[4-6],密閉采空區,將原有巷道保留下來,作為泄水巷、卸壓巷、瓦斯治理巷和相鄰工作面的回采巷道[7-12],降低巷道掘進率,提高煤炭回采率,并為防治煤礦水、火、瓦斯、頂板、沖擊地壓等重大災害提供時間和空間,可有效防范遏制重特大事故,全面提升煤礦安全保障能力,保證煤炭穩定供應[13-16]。

擋矸支架的主要作用是臨時圍護待澆筑空間[17],為澆筑柔模砼墻創造安全作業環境。對于擋矸支架,國內外研究偏少,楊俊哲等[18]開發了柔模沿空留巷專用擋矸支架,該擋矸支架為兩組四排十二架結構,頂梁長度16.5 m,填補了國內外空白;張凱等[19]開發了一組三架邁步自移式綜放工作面柔模沿空留巷擋矸支架,滿足放頂煤沿空留巷施工要求;陳外信等[20]依托上灣煤礦3.8 m采高工作面,采用柔模沿空留巷擋矸支架圍護待澆筑空間,實現了日留巷15 m。上述研究都是在工作面開切眼將擋矸支架與綜采支架同時安裝并同步沿空留巷,但是刀把型雙工作面由于工作面回采一定距離后才開始安裝擋矸支架和沿空留巷,因此擋矸支架的安裝環境復雜,難度大,并且影響工作面回采。鑒于此,筆者針對刀把型雙工作面沿空留巷,提出一種擋矸支架隨采隨裝安全復位新方法,并進行現場應用。

1 工程概況

檸條塔煤礦14212工作面地質條件簡單,煤層平均厚度3.9 m,采用單一傾向長壁采煤法,綜合機械化一次采全高采煤工藝,自然垮落法管理采空區頂板,正常回采推進度為12～18 m/d。14212與14213工作面聯合布置(見圖1),14212開切眼距離14213開切眼措施巷710 m,14213開切眼措施巷距離14212回撤通道2 070 m,14212工作面回采至14213開切眼措施巷時開始留巷,留巷長度2 070 m(圖1中紅線標注部分),將14212運輸巷保留下來作為14213回風巷。14212運輸巷采用沿底留頂煤掘進,支護橫斷面如圖2所示。

圖1 14212和14213刀把型雙工作面聯合布置示意圖

圖2 14212運輸巷支護橫斷面

2 沿空留巷主要支護參數及專用支架

2.1 沿空留巷主要支護參數[21]

緊跟14212工作面在沿空留巷端頭支架和擋矸支架的安全防護下,利用工作面檢修班,通過混凝土泵將高性能混凝土注入柔模內,在采空區與14212運輸巷之間構筑1道柔模混凝土連續墻,將14212運輸巷保留下來。沿空留巷支護橫斷面如圖3所示。

圖3 14212運輸巷沿空留巷支護橫斷面

2.2 柔模沿空留巷專用支架[21]

在14212工作面機頭安裝5臺柔模沿空留巷端頭支架,其中2臺為ZYT12000/20/40D型T1和T2躲錨支架,3臺為ZZTP21600/20/40D型T3、T4和T5鋪網支架。為保證留巷施工不影響回采,緊跟T4和T5支架,安裝1組ZRL44500/22/40D型沿空留巷擋矸支架(見圖4),可實現檢修班一次性澆筑18 m柔模混凝土墻體。擋矸支架為一組兩排六架,每排前中后三架的頂梁與頂梁之間、底座與底座之間通過銷軸鉸接,實現每排三架同步升降。擋矸支架左右兩排互為支點邁步自移,與綜采支架不連接。另外,擋矸支架具有走向自移、橫向自移、擋矸切頂等功能,遠程遙控操作,總長度20.5 m,總寬度1.776 m。在滯后工作面100 m范圍內距離柔模砼墻600 mm處支設一排單元支架,單元支架間距3.0 m。沿空留巷設備平面布置如圖5所示。

圖4 ZRL44500/22/40D型沿空留巷擋矸支架

圖5 沿空留巷設備平面布置示意圖

3 擋矸支架隨采隨裝技術

在14212工作面綜采設備安裝時同步安裝5臺柔模沿空留巷端頭支架,當回采至14213開切眼措施巷附近時隨采隨裝擋矸支架,主要程序如下:超前組裝擋矸支架→架前鋪網和架間打設錨索→打設戧棚及木垛→澆筑轉角柔模砼墻→回采并維護擋矸支架工作空間→橫向平移復位擋矸支架→支設單元支架并集中澆筑20 m柔模砼墻。

3.1 超前組裝擋矸支架

對14213開切眼和開切眼措施巷之間的煤柱進行擴幫,形成擋矸支架安裝硐室,硐室長20 m、寬3 m,擴幫段及其前后20 m范圍內采用單體支柱臨時加強支護。超前14212工作面100 m以外,提前利用支架搬運車將擋矸支架從地面分段運至安裝硐室內,并組裝擋矸支架,如圖6所示。

圖6 超前組裝擋矸支架

3.2 架前鋪網和架間打設錨索

當工作面推采至距離14213措施巷15 m時,在架前開始鋪設柔性網,自留巷T3端頭支架起橫向一直延伸到工作面10#支架,鋪網寬度為15 m。同時在柔性網掩護下每推采兩刀煤,分別在2#與3#支架、3#與4#支架、4#與5#支架、5#與6#支架、6#與7#支架的架間打設錨索,每排5根,錨索規格為?21.8 mm×9 000 mm,間排距為1 750 mm×1 600 mm,待擋矸支架安裝復位完成后停止鋪網和打設錨索,如圖7所示。

圖7 架前鋪網和架間打設錨索

3.3 打設戧棚及木垛

3.3.1 打設單體戧棚

當工作面推采至柔性網超出2#支架架尾800 mm時,及時沿1#和2#支架架尾打設單體戧柱,每根戧柱配合方木(長×寬×高=1 200 mm×200 mm×200 mm)支護頂板,在打設好的戧棚下繼續打設2根單體,替換臨時戧柱,單體支撐角度75°～85°,間距800 mm,要求單體柱連鎖、棚梁連鎖,如圖8所示。

圖8 打設單體戧棚

3.3.2 打設木垛

當工作面繼續向前推采兩刀煤后,緊貼單體戧棚打設2個橫向木垛,方木規格1 200 mm×200 mm×200 mm,第一個木垛距離副幫1 400 mm,木垛凈距800 mm,木垛碼放采用“井”字形布置。緊跟木垛打設單體支柱,每個木垛打設3根,單體支柱間距500 mm,如圖9和圖10所示。

圖9 打設木垛支護斷面

圖10 打設木垛支護平面

3.3.3 打設扇形區單體戧棚及木垛

緊跟工作面回采,架后及時補打木垛,保證木垛距離支架尾梁不超過2 000 mm,采用扇形面形式打設單體戧棚及木垛圍護隔離采空區至5#支架,如圖11所示。

圖11 打設扇形區單體戧棚及木垛

3.4 澆筑轉角柔模砼墻

3.4.1 澆筑橫向柔模砼墻隔離采空區

當工作面超過14213開切眼措施巷5 m時停止割煤,在運輸巷道副幫掏槽,槽深300 mm,槽寬1 200 mm,距離14213開切眼措施巷5 m。隨后沿掏槽區澆筑橫向柔模砼墻,其寬度1 200 mm、長度6 000 mm,如圖12所示。

圖12 澆筑橫向柔模砼墻隔離采空區

3.4.2 澆筑走向柔模砼墻隔離采空區

當工作面超過14213開切眼措施巷15 m時停止割煤,首先采用單體戧棚及木垛沿5#支架架后隔離采空區、維護頂板,然后澆筑走向柔模砼墻,墻寬1 200 mm、長度6 000 mm,橫向與走向柔模砼墻完全隔離采空區,如圖13所示。

圖13 澆筑走向柔模砼墻隔離采空區

3.5 回采并圍護擋矸支架工作空間

隨工作面推進,繼續進行架前鋪網和架間打設錨索,并在5#支架后采用單體戧棚及木垛隔離采空區,木垛距離5#支架尾梁不超過1 500 mm,木垛間距800 mm,圍護擋矸支架工作空間長度不少于22 m,寬度不小于9.5 m,同時采用走向“一梁四柱”抬棚臨時支護留巷頂板,如圖14所示。

圖14 回采并圍護擋矸支架工作空間

3.6 橫向平移復位擋矸支架

當工作面超過14213開切眼5 m時停止割煤,開始橫向平移復位擋矸支架工作。首先拆除靠近硐室的一排五架抬棚(見圖15(a)),然后將靠近留巷的左排擋矸支架降架,右排擋矸支架繼續支撐頂板,左右兩排擋矸支架互為支點,利用拉緊和底調千斤頂將左排擋矸支架從安裝硐室向留巷內整體橫向平推100 mm,然后將左排擋矸支架升起并支撐頂板,右排擋矸支架降架,收回拉緊和底調千斤頂,將右排擋矸支架向左橫向拉移100 mm,這樣就完成擋矸支架橫向平移一個步距的動作。反復上述循環,直至擋矸支架橫向平移復位至正常沿空留巷的設計位置(見圖15(b))。將擋矸支架移出硐室后,立即在距離硐室煤幫500 mm處打設一排木垛,木垛凈距800 mm,臨時加強支護硐室。

(a)拆除靠近硐室的一排五架抬棚

(b)打設硐室木垛及橫向平移擋矸支架

3.7 支設單元支架并集中澆筑20 m柔模砼墻

擋矸支架橫向平移復位后,首先在距離柔模砼墻500 mm位置支設一排單元支架,臨時支護留巷頂板,然后集中澆筑20 m柔模砼墻至T3端頭支架架尾,徹底隔離采空區,形成正常沿空留巷條件(見圖16)。

圖16 支設單元支架并集中澆筑20 m柔模砼墻

4 實施效果

按照上述隨采隨裝技術方案成功將14212工作面20.5 m長擋矸支架安裝復位,總計耗時4.5 d,其中擋矸支架橫向平移復位僅用時6 h,集中澆筑20 m長柔模砼墻用時8 h,柔模砼墻4 h抗壓強度可達5 MPa,1 d抗壓強度可達20 MPa,2 d抗壓強度可達30 MPa,施工速度和混凝土強度滿足高產高效礦井生產要求。

在柔性網、錨索、戧棚和木垛的綜合防護下,隨采隨裝過程中未發生采空區矸石竄入作業空間的情形,人員作業安全。在轉角區設置的1#測站巷道圍巖變形監測數據如圖17所示,10 m深基點實測最大離層量5 mm,兩幫移近量20 mm,頂底板最大移近量22 mm。距離1#測站50 m處設置的2#測站巷道圍巖變形監測數據如圖18所示,所有變形量均比1#測站小。

圖17 轉角區1#測站巷道圍巖變形監測數據

圖18 距1#測站50 m處的2#測站巷道圍巖變形監測數據

數據表明,沿空留巷支護參數和隨采隨裝防護參數設計合理,留巷變形量小,完全滿足14213工作面直接復用要求。轉角區留巷效果如圖19所示,正常段留巷效果如圖20所示。

圖19 轉角區沿空留巷效果

圖20 正常段沿空留巷效果

5 結束語

1)采取的“架前柔性網+架間錨索+架后戧棚和木垛”臨時防護措施能夠快速阻擋矸石,隔離采空區,為擋矸支架安裝復位創造安全作業空間。

2)及時澆筑轉角區橫向和走向柔模砼墻,徹底切斷采空區頂板,密閉采空區,減輕留巷壓力,保證擋矸支架橫向平移復位的工作空間。

3)具有橫向平移功能的擋矸支架能夠大幅減少安裝復位工作量,縮短安裝復位時間。

4)隨采隨裝技術方案充分利用既有巷道空間將20.5 m長擋矸支架快速安裝復位,轉角區留巷變形量小,數據表明臨時防護參數和留巷支護參數合理。

5)隨采隨裝技術方案為刀把型雙工作面超長沿空留巷擋矸支架安全快速復位提供了新方法,可加快陜北礦區和神東礦區柔模沿空留巷新技術推廣應用。