特厚煤層綜采工作面沿空留巷技術(shù)研究

特厚煤層綜采工作面沿空留巷技術(shù)研究

1礦井地質(zhì)情況牛兒莊礦803剖面為中厚煤層綜合采面，長1000m，長135m。采層為6#（山地青）煤炭，采深500m，煤層傾角8，厚度1.5m。直接屋頂應(yīng)為0.5m厚的石灰?guī)r，屋頂頂部應(yīng)為細(xì)砂巖和粘土砂巖，頂部底板為1.06m厚的粘土。巷道斷面形狀梯形,礦工鋼支護。礦工鋼支架規(guī)格:梁×柱×支架間距=2.6m×2.4m×0.7m。礦井為低瓦斯礦井,工作面瓦斯涌出量1.0m3/min。相鄰的804工作面為接替803工作面,為解決工作面銜接問題,決定在803工作面開展沿空留巷技術(shù)研究,解決工作面接替問題。2如果是這樣，則設(shè)置2.1沿空留巷支護模擬實驗沿空留巷技術(shù)方法很多,有在巷旁架設(shè)木垛的、有密集支柱的、有砌筑矸石帶的、有采用高水材料的等。一般沿空留巷方案都是在工作面巷道掘進前確定,而803工作面巷道掘進接近結(jié)束才確定該工作面進行沿空留巷,這給留巷方案選擇造成很大困難。為了深入了解巷道圍巖應(yīng)力分布情況、巷道變形規(guī)律、圍巖受力變化過程,牛兒莊礦進行了數(shù)值模擬實驗。經(jīng)過分析、論證,確定了3種留巷形式,采用三維有限差分軟件——FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬計算分析。模擬實驗結(jié)果:第一種,掘進采用錨網(wǎng)索支護,沿空留巷采用錨索加固——高水材料擋墻支護相結(jié)合,圍巖非常穩(wěn)定,頂板主要依靠錨網(wǎng)索支護,高水材料擋墻受力很小,擋墻僅僅起輔助支護和隔絕采空區(qū)的作用,500mm厚的擋墻能夠保持巷道正常使用,巷道收斂量小于200mm,巷道能夠正常使用。第二種,掘進采用礦工鋼支護,沿空留巷采用錨索加固——砌筑料石擋墻支護相結(jié)合,實驗結(jié)果支架受力較大,底鼓量達到400～700mm,兩幫收斂量達到400～600mm,留巷砌筑料石擋墻局部被壓裂,分析原因,支架支護的頂板沒有形成整體,在采動過程和頂板周期來壓作用下,造成頂板破壞,巷道經(jīng)過簡單維護能夠使用。第三種,掘進采用礦工鋼支護,沿空留巷采用高水材料擋墻支護,試驗結(jié)果支架受力非常大,多數(shù)支架被損壞,頂板離層顯著,頂板下沉量達到200mm,底鼓量達到800～1200mm,兩幫收斂量達到600～1000mm,高水材料擋墻大部分被壓壞,巷道基本不能使用。分析原因,支架對頂板的支護作用遠(yuǎn)小于圍巖壓力,圍巖的自承載能力基本沒有發(fā)揮出來,在工作面來壓階段,巷道被破壞。2.2種支護方案通過試驗對比,說明第一種錨網(wǎng)索支護沿空留巷效果最佳,應(yīng)該首選,但由于巷道已經(jīng)形成,沒法再變更支護,所以只能在今后選擇方案時選用;第二種支護形式簡單、可行,使用的料石來源方便、充足,施工簡單。模擬試驗時錨索起到了加固頂板的作用,但效果不夠理想,頂板加固后缺乏整體性,因此決定頂板采用20號槽鋼聯(lián)鎖礦工鋼梁,保證沿空留巷效果;第三種支護控制不住頂板,方案不可行。最終確定采用第二種方案,錨索槽鋼加固頂板,砌筑料石擋墻的沿空留巷形式。2.3沿空走廊規(guī)劃2.3.1錨索的制作(1)依據(jù)巷道內(nèi)礦工鋼規(guī)格。梁×柱×棚距=2.6m×2.4m×0.7m,沿巷道兩幫各支設(shè)一排錨索,錨索距棚梁端頭0.5m,錨索的間距為1.6m,錨索排距2.1m。(2)錨索長度依據(jù)巷道頂板的巖性情況而定,錨固端深入較穩(wěn)定堅硬巖層中不少于2m。根據(jù)煤層頂板的巖性、厚度情況,錨固部分深入到4.23m的細(xì)砂巖層內(nèi)是比較經(jīng)濟和合理的,所需錨索孔有效長度:0.5m+3.88m+2.0m=6.38m,再加上孔外鋼絞線的外露長度0.5m,錨索的長度為6.88?？紤]到頂板跨落后采高4.3倍以上的頂板比較穩(wěn)定,錨索長度應(yīng)為1.5m×4.3m+2.0m+0.5m=8.95m。由此,我們選取錨索的長度為9.0m。(3)錨索參數(shù)確定。選用SWPR19-18高強度鋼絞線,直徑?18.0mm,強度1860MPa,公稱截面積214mm2,破斷力399kN,延伸率7‰。錨索鉆孔直徑?28mm,孔深8.5m,單束鋼絞線長度9.0m,端頭錨固,錨固劑采用K23602卷、Z23602卷,共計4卷由里向外排列。錨固長度2.5m,錨索預(yù)緊力為100kN。(4)錨索角度?？拷ぷ髅嬉粋?cè)錨索垂直頂板安裝,不得向工作面?zhèn)葍A斜。另一側(cè)錨索向煤幫傾斜,與水平呈60～75°夾角。(5)槽鋼規(guī)格選型。順走向每相鄰兩根錨索間用一根長度2.5m的20#槽鋼相連接,槽鋼交錯邁步布置,使礦工鋼支架梁連成整體,錨索托盤為規(guī)格(長×寬×厚)為160mm×160mm×20mm的鋼板。(6)沿空留巷俯視圖如圖1所示。2.3.2煤石粉墻體的規(guī)格(1)在工作面沿巷道走向砌筑料石墻,作為沿空留巷的巷幫。料石墻采用2#粗料石、砂漿構(gòu)筑,墻體建在靠近工作面?zhèn)鹊拿簩禹數(shù)装逯g,上部接頂,下部接底,料石墻距留巷的另一幫間距3.8m。墻體橫斷面規(guī)格為:上寬1.0m,下寬1.2m,高度1.6～2.0m(局部頂板脫落或底板破底處,以實際頂?shù)装逯g高度為準(zhǔn)),基礎(chǔ)深度不小于100mm。(2)砂漿標(biāo)號100#,配合比為,水泥∶石粉=1∶3(體積比)。(3)沿空留巷斷面圖如圖2所示。3充填料石加固墻后基礎(chǔ)生活結(jié)構(gòu)確定(1)兩巷錨索支護。超前工作面30m以上支設(shè)錨索,錨索預(yù)緊力不少于100kN。錨索同時起到超前維護作用。(2)切頂線以里支護。支設(shè)支柱→前移液壓支架(0.5m)→再支護→前移液壓支架(0.5m)→第三次支護→砌料石墻→回撤料石墻采空區(qū)側(cè)支柱。(3)砌料石墻。清理砌墻處的浮煤浮矸→做墻體基礎(chǔ)→砌料石墻→恢復(fù)礦工鋼支架柱腿。(4)留巷段,在工字鋼棚梁與料石墻之間支設(shè)單體支柱,進行臨時加強支護,柱距0.7m。回撤支柱距工作面30～50m,在頂板周期來壓過后,頂板穩(wěn)定后進行。(5)料石加固墻砌筑與工作面切頂線的滯后距離的確定。為便于施工,砌墻滯后切頂線距離為2.0～4.0m,在此空間內(nèi)進行支護操作較合適。4沿空留巷效果由于受到采區(qū)整體布置的制約,工作面通風(fēng)一直采用U形通風(fēng),采區(qū)邊界沒有回風(fēng)巷,布置其他形式的通風(fēng)方式不現(xiàn)實。通常沿空留巷都是留設(shè)一條巷道,而本次上、下兩巷同時留設(shè)巷道,給通風(fēng)管理帶來困難。經(jīng)過專家論證,在工作面下巷安設(shè)2臺JBD11×2kW風(fēng)機,1臺為采空區(qū)留設(shè)的原運輸巷供風(fēng),1臺通過采煤工作面為采空區(qū)留設(shè)的原運料巷供風(fēng)。在沿空留巷內(nèi)每100m安裝1個瓦斯探頭,監(jiān)測巷道中的瓦斯?jié)舛?保持沿空留巷內(nèi)瓦斯不超限。5沿天空緩慢移動的效果5.1巷道圍巖下沉量觀測為了對沿空巷道變形情況進行監(jiān)測,每隔100m設(shè)一個測站,主要觀測頂板下沉量、底板鼓起量、兩幫收縮量、8m高頂板的圍巖下沉量以及巷道直觀變形,觀測結(jié)果如下:(1)巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲?00～400mm,兩幫變形量最大100～330mm;(2)巷道頂板離層量30～100mm;(3)支架沒有出現(xiàn)明顯變形,錨索沒有斷裂發(fā)生,料石擋墻少量出現(xiàn)裂縫,但不影響使用;(4)工作面推進50～80m后,巷道基本保持穩(wěn)定,不再出現(xiàn)明顯的變化。5.2沿天空剩余成本(1)巷道掘進費用沿空留巷可以實現(xiàn)無煤柱開采,少留煤柱10m,按400元/m3利稅計算,可增加利稅2000m×10m×1.5m×1.4t/m3×40