沿空留巷支護(hù)技術(shù)及礦壓監(jiān)測(cè)研究

申海利,宋慧杰

(山西高河能源有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100)

煤礦沿空留巷是在煤礦開(kāi)采中保留一些未采區(qū)域,便于進(jìn)行通風(fēng)、排水、瓦斯抽采等工作,能夠提高采煤效率、便于礦山管理、節(jié)約能源資源[1]。

康紅普等[2]對(duì)沿空留巷頂板垮斷因素進(jìn)行了分析,為沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)提供了新思路。何滿(mǎn)潮等[3]探索了不同的方法來(lái)研究沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性,包括長(zhǎng)壁開(kāi)采切頂短壁梁理論、切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)。闞甲廣等[4]提出了一些支護(hù)技術(shù)和方法控制沿空留巷圍巖的變形和保持支護(hù)墻的穩(wěn)定性。李迎富等[5-7]則研究了沿空留巷圍巖的破斷現(xiàn)象和煤巷支護(hù)的基本準(zhǔn)則。

基于高河礦使用沿空留巷方法開(kāi)采W4301工作面的工程背景,提出了使用混凝土充填沿空留巷的對(duì)策,為煤礦沿空留巷提供了新的思路。

1 工程條件及支護(hù)概況

W4301工作面位于西四盤(pán)區(qū),煤層埋深為427～537 m,巷道斷面為矩形,支護(hù)采用錨網(wǎng)索+梯子梁支護(hù)形式,且與未開(kāi)采的W4302工作面相鄰。在掘進(jìn)過(guò)程中,4條回采巷共揭露14條斷層,其中W4301工作面巷道揭露Fw145、Fw146、Fw147、Fw149等斷層,其中Fw147斷層落差較大,嚴(yán)重影響采掘工作,且易導(dǎo)通含水層,引發(fā)突水事故。此外,工作面頂板k8砂巖和3號(hào)煤層頂板砂巖含水層富水性強(qiáng),富水區(qū)面積較大。為發(fā)生防止礦井突水事故,亟待研究回采巷遇斷層圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)。

2 巷旁支護(hù)分析

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中,巷道頂板會(huì)因?yàn)榛剞D(zhuǎn)下沉而產(chǎn)生“給定變形”的特征。針對(duì)這一特征,提出了一種基于“側(cè)向動(dòng)靜結(jié)合、縱向伸讓壓”的碎石巷幫穩(wěn)定性控制理念,并設(shè)計(jì)出了適用于平均6.8 m煤層的支護(hù)結(jié)構(gòu),包括可伸縮U型鋼、切頂護(hù)幫支架、防沖板和金屬網(wǎng)等。相鄰的可伸縮U型鋼之間采用金屬拉桿進(jìn)行鉸接連接,以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,并將側(cè)向荷載傳遞至單體支柱。具體的支護(hù)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

3 巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)

3.1 留巷前巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)

W4301回風(fēng)巷使用梯形斷面鋼棚支護(hù)。斷面上下寬分別為4.586 m和3.85 m,高為3 m,凈斷面上下寬分別為4.2 m和3.5 m,高為2.8 m.巷道采用12號(hào)工字鋼作為頂梁支撐材料,支腿選用29U型鋼,棚距為700 mm.為了防止頂板下沉,支架設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了一定高度,以增加其強(qiáng)度。為了確保棚腿底部的穩(wěn)定性,使用200 mm×200 mm×50 mm柱窩,并在底板焊接200 mm×200 mm×10 mm的鋼板。根據(jù)巷道斷面形狀及圍巖條件設(shè)計(jì)合理的單體支柱間距。支撐用鋼勾上、下連鎖,頂部、幫體均為木背板勾頂背幫體,錯(cuò)步依次排列。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及頂板巖性選用合適的單體支柱。如遇地質(zhì)情況,會(huì)使用木垛或者密集支架來(lái)強(qiáng)化超前支護(hù)。為了防止施工時(shí)產(chǎn)生變形和破壞,應(yīng)根據(jù)不同地段設(shè)計(jì)合理的斷面型式,以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件。在路口采用抬棚支護(hù),支設(shè)后用工字鋼和鋼筋混凝土進(jìn)行二次加固。支護(hù)示意如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)示意(單位:mm)

3.2 留巷過(guò)程巷內(nèi)支護(hù)

如圖3所示,在頂梁的支撐梁中,設(shè)置了3排長(zhǎng)度為2 m和4 m的支柱,采取一梁兩柱,一梁四柱支撐,以避免Π型鋼梁和棚頂梁的滑移。添加了1層廢舊膠帶。此外,為保障巷道的穩(wěn)定,選用邁步式支架ZT32000/22/35進(jìn)行護(hù)巷支架,支架安裝在長(zhǎng)11.5 m、凈寬3.5 m、高2.8 m的硐室內(nèi)。在接近采煤工作面5 m時(shí),使用單體支柱和Π型鋼梁進(jìn)行頂梁托換。為防止上分層工作面落矸石,采用了雙層網(wǎng)和金屬網(wǎng)加強(qiáng)支護(hù),支護(hù)棚間距縮小到350 mm.此外,為保證巷道的安全,對(duì)于巷道的支護(hù),采取了端頭支護(hù)的方式,將超前支護(hù)延伸至工作面。巷道內(nèi)的3排Π型鋼梁支護(hù)不變。為了防止頂板下沉,支架設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了一定高度,以增加其強(qiáng)度。護(hù)巷支架架設(shè)硐室如圖4所示。

圖3 超前支護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意(單位:mm)

圖4 護(hù)巷支架安裝硐室示意

3.3 留巷后巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)

在進(jìn)行礦山支護(hù)工作時(shí),支架后需支撐,采用木托梁與單體柱聯(lián)合支護(hù)。支架上方安裝有鋼架棚頂網(wǎng)。木托梁的規(guī)格為長(zhǎng)2 600 mm、寬150 mm、厚150 mm,與支護(hù)棚采用間隔1 200 mm的工字鋼頂梁錯(cuò)開(kāi)。在施工時(shí)通過(guò)調(diào)整錨桿位置及數(shù)量來(lái)滿(mǎn)足頂板控制要求。單體柱為一梁三柱的DW35-300/110類(lèi)型。在施工過(guò)程中根據(jù)頂板來(lái)壓規(guī)律確定合理的錨桿安裝密度,確保圍巖穩(wěn)定。超前支承壓力主要分布在煤壁和頂板中,對(duì)頂煤起到良好的保護(hù)作用。它距巷道中心線(xiàn)925 mm,Π型鋼梁長(zhǎng)4 m.由于受?chē)鷰r條件影響較大,在頂板垮落后仍有一部分煤柱存在,因此對(duì)采動(dòng)支承壓力分布規(guī)律研究較少,但通過(guò)理論計(jì)算分析可確定合理的超前距和留巷角。木托梁支護(hù)示意,如圖5所示。

圖5 木托梁支護(hù)示意(單位:mm)

4 留巷礦壓分析

4.1 礦壓監(jiān)測(cè)方案

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法獲得巷道變形量和錨桿受力數(shù)據(jù)。具體布置如圖6所示。

圖6 測(cè)站布置示意

4.2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

1) 巷道表面位移變化。在監(jiān)測(cè)圍巖收斂變形過(guò)程中,利用井字監(jiān)測(cè)法。監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要有超前工作面和沿空掘巷兩部分。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的分析研究可知,在采動(dòng)影響區(qū)煤柱中布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)后,可以準(zhǔn)確地反映出煤層回采前后煤巖層移動(dòng)及變化情況。其中兩幫的移近量用收斂計(jì)測(cè)量,并利用頂板動(dòng)態(tài)儀測(cè)量頂?shù)装逡平俊１O(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7.

圖7 巷道圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)

在工作面推進(jìn)的過(guò)程中,巷道兩側(cè)和頂部的移動(dòng)變化趨勢(shì)大致相同。然而,由于受地質(zhì)條件、巷道跨度和支撐強(qiáng)度等因素的不同影響,沿著空隙不同的位置,表面的移動(dòng)變化表現(xiàn)出明顯的差異。例如,距開(kāi)切眼356 m時(shí)圍巖的頂部和底部移動(dòng)量最大達(dá)到了235 mm,而距開(kāi)切眼147 m時(shí)頂?shù)装宓囊苿?dòng)量最大為209 mm.同樣,距開(kāi)切眼356 m時(shí)圍巖兩側(cè)的移動(dòng)量最大達(dá)到了313 mm,而距開(kāi)切眼147 m時(shí)斷面兩側(cè)的移動(dòng)量最大為281 mm.另外巷道變形主要集中于采掘影響區(qū)域,且隨時(shí)間推移逐漸降低,最后趨于穩(wěn)定。

2) 支護(hù)棚壓力監(jiān)測(cè)。壓力表安裝于測(cè)站旁支撐棚棚腿及頂部梁,每個(gè)測(cè)站都配置了3組壓力表進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示,其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)測(cè)站距切眼分別為55 m、110 m、169 m.在整個(gè)工作面回采期間,切眼與采場(chǎng)頂板之間存在著一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的空間,這個(gè)空間即為采空區(qū)邊界,該區(qū)域范圍內(nèi)沒(méi)有明顯變化。1號(hào)a位置在巷道進(jìn)口W4302一側(cè)的走向,1號(hào)b位置指向巷道進(jìn)口W4301一側(cè),2號(hào)a、2號(hào)b分別位于采空區(qū)W4302、W4301側(cè)。

圖8 3號(hào)測(cè)站支護(hù)棚壓力監(jiān)測(cè)

1號(hào)a位置和1號(hào)b位置先迅速下降,然后上升至穩(wěn)定值之后保持穩(wěn)定。2號(hào)a位置和2號(hào)b位置隨著距離工作面推進(jìn)距離的增加變化不大,但整體呈上升趨勢(shì),之后逐漸趨于平緩。最終各個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力平衡時(shí),2號(hào)a位置壓力>2號(hào)b位置壓力>1號(hào)a位置壓力>1號(hào)b位置壓力。

3) 單體支柱工作阻力變化。在各組測(cè)站共設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)儀3臺(tái)。巷道圍巖變形量隨著時(shí)間變化不明顯。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 3號(hào)測(cè)站單體柱工作阻力

3個(gè)單體柱工作阻力呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì),其中單體柱c在距離工作面50 m時(shí)工作阻力最大,達(dá)到30 MPa,之后迅速下降,然后緩慢上升,直至穩(wěn)定。單體柱b從20 MPa開(kāi)始下降至最低,然后逐漸上升至10 MPa左右。單體柱起始?jí)毫^低,緩慢上升至8 MPa左右保持平衡。每根支撐柱初始?jí)毫Σ坏?在不同采動(dòng)作用下,造成支撐柱壓力變化大。

5 結(jié) 語(yǔ)

W4301工作面沿空留巷確保了通風(fēng)正常,提高了作業(yè)速度。通過(guò)合理的支護(hù)設(shè)計(jì),保證了穩(wěn)定性。研究結(jié)論如下:

1) 巷旁支護(hù)能夠減輕頂板壓力,提高混凝土支護(hù)彈性。同時(shí)巷旁支護(hù)強(qiáng)度符合圍巖變形的要求,利于圍巖控制。

2) 巷道中使用了鋼棚和Π型鋼梁、單體柱和其他金屬網(wǎng)的共同支撐,可實(shí)現(xiàn)留巷過(guò)程中巷道圍巖的穩(wěn)定性控制。

3) 通過(guò)監(jiān)測(cè)W4301工作面礦壓,揭示了礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。有助于確定完善支護(hù)方案,為根據(jù)煤礦實(shí)際情況進(jìn)行支護(hù)提供了參考。