程德中
(山西宁武榆树坡煤业有限公司,山西 宁武 036700)
煤炭作为储量丰富、成本低廉的工业原料,支撑着我国经济的快速发展,随着煤炭开采强度不断提高,赋存条件优越的煤炭资源逐渐开采殆尽,资料显示,我国煤炭资源中厚煤层占比约45%,因此,厚煤层煤炭资源的开采逐渐得到关注。厚煤层开采常采用综放开采工艺,具有吨煤成本低、煤炭采出率高等优点,综放开采一般采用的机械设备尺寸较大,这就要求断面尺寸更大的切眼巷道。但大断面切眼跨度大,通常巷道围岩控制困难,尤其当顶板遇到泥质胶结软弱岩层时,切眼围岩控制难度进一步加大。榆树坡煤业5106 工作面切眼采用矩形巷道,巷道掘进宽度9.6 m,掘进高度3.9 m,属于特大断面切眼,且工作面切眼顶板岩性主要为砂质泥岩,其承载能力较低、自稳性差,围岩控制难度较大。
榆树坡煤业5106 工作面位于5 号煤一采区,工作面标高为900—1 011 m,埋藏深度为346~447 m,工作面东部为DF27 逆断层,西部为北同蒲铁路保护煤柱,北部为5 号煤皮带大巷。工作面上覆存在2 号煤1202 采空区及旧回风巷、1204 采空区、1208 采空区和1210 采空区,四邻无其它采空区存在。5106 工作面煤层厚度14.5~16.9 m,平均15.5 m,结构简单,含夹矸4 层,为全区稳定可采的巨厚煤层。5106 工作面伪顶为砂质泥岩,厚0.3 m;直接顶板为细砂岩,厚0.8 m;老顶为砂质泥岩,厚15.46 m;直接底板为粉砂岩,厚1 m;老底为砂质泥岩,厚1.9 m,详见表1。5 号煤与5上煤相距16.56 m、5 号煤与5 下煤相距2.92 m。榆树坡煤业5106 工作面采用综放开采工艺,工作面采高4.0 m,采放比为1:2.88,根据工作面采掘设备安装、通风安全等要求,榆树坡煤业5106 工作面切眼设计采用矩形巷道,巷道掘进宽度9.6 m,掘进高度3.9 m,属于特大断面切眼。5106 工作面采掘工程平面如图1 所示。
表1 5106 工作面煤层顶底板岩性特征Table 1 Coal seam roof and floor lithology characteristics of No.5106 Face
图1 5106 工作面采掘工程平面示意Fig.1 Mining engineering plane diagram of No.5106 Face
榆树坡煤业5106 工作面切眼掘进宽度9.6 m,掘进高度3.9 m,属特大断面巷道,工作面存在超过15m 的砂质泥岩,承载能力较低、自稳性差,围岩控制难度较大。由于5106 工作面切眼跨度较大,因此采用一次掘巷、二次扩巷的成巷工艺,初次掘巷宽度5.5 m,二次扩巷宽度4.1 m。为保证榆树坡煤业5106 工作面切眼的稳定,根据实际生产地质条件,研究特大断面切眼锚网索支护技术,具体支护技术参数如图2 所示。
图2 切眼支护示意Fig.2 Incision support diagram
(1) 5106 工作面切眼顶板采用全锚索+金属网支护,锚索规格为φ21.8 mm×9 200 mm,初次掘巷顶板布置7 根锚索,采用5.5 m 的7 眼W 钢带连接,锚索间排距为850 mm×1 000 mm,扩至全断面后;内错500 mm 布置5 根锚索,采用4.3 m 的5 眼W 钢带连接,锚索间排距为1 000 mm×1 000 mm,每根锚索配1 块300 mm×270 mm×14 mm 的拱形托板,配1 根MSCKa/b23/1200 mm 锚固剂,锚索设计张拉预紧力40 MPa。顶板采用高预紧力全锚索主动支护,长度9 200 mm 的锚索可将浅部软弱砂泥岩锚固至深部岩层,使浅、深部围岩形成统一承载结构,充分发挥深部岩层的承载性能,形成良好的控顶效果。
(2) 5106 工作面切眼采帮及煤柱帮采用锚杆+金属网支护,锚杆采用φ22 mm×2 400 mm 的螺纹钢锚杆,帮部距顶板400 mm 处打注第一根帮锚杆(即W 钢带护板竖向布置),自上往下共打注4 根帮锚杆(全部上W 钢护板),帮锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm,每根锚杆配1 块150 mm×150 mm×10 mm 锚杆托板,以及1 块450 mm×280 mm×4 mm 的W 钢带护板,配1 根MSCKa23/800 mm 锚固剂,锚杆预紧扭矩设计300 N·m。两帮均采用高预应力锚杆主动支护,强化帮部软弱煤体力学性质,使支护结构与围岩体形成统一承载结构,形成良好的固帮效果。
(3) 顶、帮金属网均采用14 号铁丝联结成菱形网片,菱形网规格为1 300 mm×7 000 mm、1 300 mm×3 000 mm,且每10 cm 联结一道,每道双股丝绕匝3 圈,网与网搭接长度100 mm,形成良好的护表效果。
将上述特大断面切眼锚网索支护技术应用于榆树坡煤业5106 工作面切眼,同时监测切眼的变形情况。切眼巷道移近量如图3 所示,移近速度如图4 所示。5106 工作面切眼变形呈分阶段特征,首阶段为快速变形阶段,发生在切眼初掘1.5 个月内,该变形阶段切眼围岩移近速度较快,顶底板移近量约91 mm,两帮移近量约100 mm,顶底板最大移近速度3.74 mm/d,两帮最大移近速度5.72 mm/d;第二阶段为缓慢变形阶段,发生在切眼掘出1.5~3个月内,该变形阶段切眼围岩移近速度有所减缓,顶底板移近量约141 mm,两帮移近量约178 mm,顶底板最大移近速度1.87 mm/d,两帮最大移近速度2.31 mm/d,围岩变形速度降低近一半;最后一个阶段为稳定变形阶段,发生在切眼掘出3 个月后,该变形阶段切眼围岩移近速度很小,切眼围岩趋于稳定。
图3 切眼巷道移近曲线Fig.3 Roadway approaching curve of cut hole
图4 切眼巷道移近速度曲线Fig.4 Roadway approaching velocity curve of cut hole
稳定后,顶底板移近量约146 mm,两帮移近量约185 mm,整体看,榆树坡煤业5106 工作面切眼变形均在可控范围内,同时未发现冒顶、片帮等大变形现象,表明此次特大断面切眼锚网索支护技术的合理性和可靠性。
榆树坡煤业5106 工作面特大断面切眼跨度较大,围岩控制难度大,为此研究特大断面切眼锚网索支护技术,采用高预紧力全锚索主动支护进行控顶,采用高预应力锚杆主动支护进行固帮,同时配套金属网进行护表。该支护方案在榆树坡煤业5106 工作面切眼进行了应用,切眼掘进过程中顶底板最大移近速度3.74 mm/d,两帮最大移近速度5.72 mm/d,切眼围岩稳定后,顶底板移近量约146 mm,两帮移近量约185 mm,变形均在可控范围内,表明该特大断面切眼锚网索支护方案实现了榆树坡煤业5106 工作面切眼的稳定控制,保障了煤矿安全生产。