沿空留巷巷道加固技术研究

闫晋峰,陈宪伟,王慧武,罗厚林,张武涛

(1.潞安环保能源开发股份有限公司 常村煤矿,山西 长治 046100;2.山西霍尔辛赫煤业有限责任公司,山西 长治 046600;3.陕西开拓建筑科技有限公司,陕西 西安 710054)

随着煤矿不断开采,我国煤炭存量越来越少,传统的留设保护煤柱造成的煤炭回收率低、资源浪费问题日益突出。沿空留巷具有以下优势:①回收煤柱,延长矿井服务年限;②降低巷道掘进率,减少空顶作业,降低冒顶、片帮几率,提高矿井安全生产水平;③改善矿井技术经济指标[1-3]。目前沿空留巷技术在我国进行了广泛应用,取得了良好的社会、经济效益。由于各矿井地质条件不同,导致沿空留巷巷道围岩变形各不相同,在埋深较深的矿井,底鼓和帮鼓问题突出,严重影响留巷巷道二次复用。因此,急需解决巷道底鼓和帮鼓问题,以满足沿空留巷技术在深埋深矿井地质条件下的进一步实施和推广。

20世纪90年代初,国内外煤矿生产中主要采用棚式支护,随着开采复杂度和困难的加大,棚式支护被更有优势的新支护方式取代。个别大巷以及特殊硐室加固需要,砌碹支护逐渐被各大矿井所使用,由于其属于被动支护,且施工效率底,劳动强度大,现阶段使用较少。目前矿井普遍使用的是锚杆支护形式,该支护属于主动支护,围岩控制效果较好,已被广泛用于煤矿生产支护和巷道加固。由于单一锚杆支护形式很难保证围岩稳定性,根据各种材料性能、使用等特点,为满足不同条件下巷道围岩稳定要求,联合支护形式更好起到支护效果[4],本文主要是联合支护加固底板和煤帮,达到控制沿空留巷巷道底鼓和帮鼓的目的。

本文以余吾煤业N1100综放工作面回风巷柔模混凝土沿空留巷为工程背景进行研究,提出底板加固技术和煤帮补强措施,并进行理论论证与现场工业性实践。

1 工程条件

N1100综放工作面为余吾煤业第二个采用沿空留巷的工作面,井下位置:巷道南接西翼胶带大巷;北侧为实体煤;西面为实体煤;东面为N1100工作面。地面标高:+982～+1 084 m;底板标高:巷道最高点位于巷道开口处,标高+457 m(底板);最低点位于1 599 m处,标高为+400 m(底板)。最高点与最低点高差为57 m;埋藏深度:+531～+545 m.回采3号煤层,煤层平均厚度6.2 m.直接底:砂质泥岩,厚度3.1 m,灰黑色,块状,断口较平坦,含植物化石。老底:细粒砂岩,厚度13.04 m,灰色,中厚层状,长石、石英为主,暗色矿物少量,含白云母碎片,垂直裂隙发育。工作面采用走向长壁、后退式低位放顶煤全部垮落式综合机械化采煤法。实行跟班干部负责制管理,“三八制”作业,2个班生产,1个班检修,循环进度0.8 m,平均推进度3.2 m.工作面切眼斜长332 m,煤层平均厚度6.2 m,工作面采高(3.2±0.1)m,顶煤平均厚度2.4 m,割煤回收率为98%,放煤回收率为93%,一采一放为一个循环。

工作面回风巷为矩形断面,沿3号煤层底板留顶煤进行掘进,一次性掘进大断面宽5.4 m、高3.8 m,断面面积20.52 m2,采用锚杆(索)金属网+钢筋梯子梁联合支护。顶板每排7根锚杆,间排距830 mm×900 mm,左、右肩角锚杆均与垂直成20°外斜布置,距巷帮均为210 mm,其他锚杆全部垂直顶板布置;锚索间排距1 660 mm×900 mm,沿巷道前进方向按3-2-3布置,全部垂直顶板煤岩面打设。两帮各5根锚杆,间排距850 mm×900 mm,帮上部锚杆上斜10°布置,距顶200 mm,帮下部锚杆下斜5°布置,距底200 mm.

沿空留巷总长度1 073 m,巷道顶煤厚度2.4 m.生产班架前铺网、单元支架围护采空区、待浇筑空间“一梁两柱”临时支护,检修班在单元支架的围护下完成挂模、注模工作。柔模混凝土墙体厚度1 500 mm,留巷宽度3 900 mm.

2 底板加固技术

结合N1100综放工作面回风巷地质条件以及顶板锚网索理论基础提出锚索+工字钢梁+钢筋网片+混凝土组合加固底板方案[5-7]。

2.1 底板加固参数设计

参考顶板锚网索支护理论,类比法引用到底板加固技术中。加固技术总体思路:在超前工作面留巷区域的底板(底煤)上利用锚索、工字钢、钢筋网片以及混凝土组合支护,钻孔深入底板坚硬岩层1 500 mm,先锚固好锚索,然后依次穿入工字钢、钢筋网片,最后浇筑混凝土,与巷道底板形成整体,增强其抗压强度。参数设计如下:

1) 钻孔参数设计。根据工程条件介绍,留巷巷道直接底为3.1 m的砂质泥岩,老底为13.04 m的细粒砂岩,为坚硬岩层,锚固端需在坚硬岩层。锚索总长度L包括外露长度0.8 m,直接底均厚3.1 m,锚入老底1.5 m较稳定细粒砂岩中。最终确定:N1100回风巷的底板加固锚索支护总长度L≥5.4 m时,才能达到有效主动支护的目的。钻孔直径:28 mm,深度5 400 mm,锚固长度1 500 mm.

2) 锚索参数设计。锚索形式和规格:锁体为D22 mm、1×19股高强度低松弛预应力钢绞线,长度5 400 mm;锚固方式:采用3支K2350低粘度快速树脂锚固药卷锚固,锚固长度为1 500 mm;锚索布置:锚索沿巷道前进方向按4-4-4布置,排距1 000 mm,间距1 200 mm;锚索预紧力:250 kN,初次涨拉实现超涨拉,涨拉至300 kN;锚固力要求达到600 kN;锚索角度:全部垂直底板岩面打设;锚索配件:锚索托盘为300 mm×300 mm×16 mm的高强度蝶形托盘,配套高强度可调心球垫、锁具。

3) 工字钢参数设计。采用11号矿用工字钢,长度3 700 mm,每根工字钢打4个孔,孔直径24 mm,两端距离50 mm开始打孔,间距1 200 mm.

4) 钢筋网片参数设计。采用D6.5 mm钢筋编制网片,网格50 mm×50 mm,3 900 mm×1 000 mm(长×宽)。

5) 混凝土参数设计。采用与浇筑柔模相同标号的混凝土C50,混凝土浇筑厚度200 mm.底板加固支护施工平剖面如图1、图2所示。

图1 底板加固断面(单位:mm)

图2 底板加固平面(单位:mm)

2.2 底板加固技术施工流程

底板加固技术的施工流程为:①将工字钢对应穿锚索位置打孔;②通过钻机打孔将锚索锚固到底板坚硬岩层;③把打好孔的工字钢穿到锚索上,再铺上1层D6.5 mm钢筋网上托盘施加预紧力;④打设200 mm厚C50混凝土。

3 留巷巷道煤帮加强支护设计

为解决N1100工作面留巷巷道煤帮帮鼓量较大的情况,特提出N1100工作面留巷巷道煤帮加强支护设计,减少煤帮帮鼓量。

3.1 煤帮极限平衡区计算

根据回采巷道煤体荷载传递机理及其极限平衡区的理论研究可知[8-10]:巷道开挖后,两帮煤体应力重新分布。在无支护的情况下,由煤体边缘向里依次形成煤帮破裂区、塑性区、弹性应力升高区及原岩应力区。其中,煤帮破裂区和塑性区的煤体处于应力极限平衡状态。由于煤体的泊松比较顶底板岩石大,煤层与顶底板岩石界面上的粘聚力C0和内摩擦角φ0较两帮煤体的偏低,极限平衡区的煤体趋于从顶底板岩石中挤出,当煤体从顶底板岩层间挤出时,煤层界面应力应该满足应力极限平衡条件:

式中:x0为应力极限平衡区宽度;C0、φ0分别为煤层与顶底板交界面的粘聚力和内摩擦角,取0.4 MPa、37°;Px为锚杆对煤帮的支护强度,取229.9 kN/m2;A为侧压系数,取0.4;M为有效采高,取6.1 m;γ为上覆岩层平均容重,取25 kN/m3;k为应力集中系数,取2;H为开采深度,取533 m.

通过计算得出,应力极限平衡区宽度为4.8 m,煤帮锚杆长2.4 m,处于破碎区域,支护无效,因此需要对煤帮进行锚索补强支护,防止N1100工作面留巷巷道煤帮出现帮鼓量大的现象。

3.2 巷帮补强支护

由3.1节计算出的极限应力平衡区宽度为4.8 m,煤帮补打锚索长度不小于4.8 m才能保证支护有效,考虑到锚索锚固长度和外露长度,确定补打锚索长度为6 m.具体锚索打设方案如下:

1) 当巷高不超过4 m,在煤帮中上部补打1根锚索,锚索直径为22 mm,长度6 000 mm,具体打设如图3所示。

图3 巷高小于4 m时补打锚索横断面(单位:mm)

2) 当巷高大于4 m小于5 m时,锚索布置方式为“二一二一”,锚索直径为22 mm,长度6 000 mm,具体打设如图4所示。

图4 巷高大于4 m小于5 m时补打锚索横断面(单位:mm)

4 效果考察

N1100工作面回风巷留巷全长约1 073 m,超前切眼300 m内未采取底板加固技术和煤帮补强措施,300～1 073 m严格按照底板加固技术方案和煤帮补强措施进行支护,在两段分别进行了沿空巷道位移收敛变形监测,1号测点是未进行底板加固和煤帮补强支护(距切眼300 m)、2号测点是已经严格按照底板加固和煤帮补强支护方案进行施工(距切眼700 m),围岩收敛数据统计见图5、图6.

图5 1号测点围岩收敛变形监测

图6 2号测点围岩收敛变形监测

通过围岩收敛变形监测对比得出:初期在没有进行底板加固和煤帮补强支护的范围内,围岩收敛变形主要表现为底鼓,帮鼓次之,底鼓量达到1 206 mm,帮鼓量达到846 mm,其他两项变化量在可控范围内;后阶段通过底板加固和煤帮补强支护,底鼓量控制在280 mm范围内,帮鼓量控制在120 mm左右,完全满足巷道后期复用要求。实践证明,余吾煤业N1100工作面采用底板加固技术和煤帮补强措施技术设计参数合理,达到了预期效果。

5 结 语

1) 余吾煤业N1100工作面回风巷300～1 073 m段实施底板加固技术和煤帮补强支护措施,通过设置围岩变形监测点,收集并分析围岩监测数据可知,采用底板加固技术和煤帮补强支护措施后,沿空留巷巷道围岩变形均有所改善,最多可减少变形量77%,表明底板加固技术和煤帮补强支护措施能有效控制围岩变形。

2) 底板加固技术和煤帮补强支护措施作为改善沿空巷道围岩变形辅助手段,根据沿空留巷工作面地质条件以及来压情况确定合理的技术参数,并严格按照技术参数施工,确保留巷巷道变形在可控范围内,为下个工作面开采复用提供保障。同时可以为其他类似条件矿井减少沿空留巷巷道变形提供充分的技术支持。