沿空巷道如同停采的工作面, 其顶板活动规律与采场有不同之处, 也有相同之处。它们之间的不同点在于采场顶板。相同点在于都是处在一侧是煤体, 另一侧是采空区的特殊地段, 而且老顶破断后岩块形成的结构也类似。沿空留巷围岩的失稳机理有如下四种。
(1) 切顶失稳。
沿空巷道煤帮无论是老顶断裂前呈“悬臂梁”结构, 煤帮作为悬臂梁的唯一支撑点, 还是断裂后呈“砌体梁”结构, 作为两个支撑点中的一个均承受着老顶及上覆岩层较为集中的支承压力, 致使煤帮产生严重的变形和破裂, 导致老顶沿煤帮切落, 发生切顶失稳。
(2) 回转失稳。
随着工作面的推进, 老顶在从“悬臂梁”到“砌体梁”结构的形成过程中, 老顶的断裂与下沉是不可抗拒的。正是由于老顶断裂形成的岩块B的回转和下沉, 使岩块C成为岩块B的另一个支撑点。如果开采的煤层厚度大, 伪顶、直接顶厚度小, 煤层回采后冒落的矸石少、充填高度低, 岩块C的下沉空间便会很大, 致使岩块C与岩块A之间的高差增大, 岩块B的倾斜增大, 岩块B与岩块C不能铰接形成“砌体梁”结构, 导致岩块B以煤帮侧为支撑点, 发生回转失稳。
(3) 破断失稳 (垮冒失稳) 。
在煤帮和岩块C两个支点能支撑起老顶的时候, 如果留巷巷道宽, 老顶受断层等地质构造影响不完整或者厚度小、岩层差老顶承载不了自身及上覆岩层的载荷, 将会在巷道上方断裂, 产生破断失稳。由于老顶破断的同时, 伪顶和直接顶也随着冒落下来, 因而又称作垮冒失稳。
(4) 冒落失稳。
巷道顶板受强烈的掘进和采动影响特别是在超前支压和采空支压的叠加作用下, 导致伪顶、直接顶发生较大的位移和变形, 与老顶产生离层, 在岩块B的回转挤压下发生冒落失稳[2]。
沿空留巷的关键是沿空一侧巷旁支护体的材料和性能的选择, 要求增阻速度快并具有合理的支护阻力能切落一定高度的顶板, 具有较大的变形量适应沿空留巷剧烈变形, 同时希望巷旁支护成本低廉。
(1) 沿空留巷巷旁支护技术。
(1) 传统的巷旁支护技术。
传统的巷旁支护有木垛、密集支柱、矸石带等, 存在支护阻力、可缩性等力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应、密闭性能差和机械化程度低等缺点。所以长期以来我国沿空留巷基本应用在条件较好的薄及中厚煤层, 条件困难或厚煤层中难以发展, 多采用沿空掘巷。
(2) 巷旁支护新技术。
我国煤矿已普遍采用高水材料与膏体充填材料, 同时, 将它应用巷旁支护上, 形成巷道支护的新材料。它支护阻力大、增阻速度快、适量可缩, 巷道维护效果好, 机械化整体构筑巷旁支护对采空区密闭性好、劳动强度小。
(2) 沿空留巷控制技术。
沿空留巷的支护主要包括巷内基本支护 (即掘进期间的锚杆、锚索支护或架棚支护) 和回采、留巷期间的加强支护两部分。
(1) 巷内基本支护。
巷内基本支护主要是加固煤帮和维护留巷巷道上方顶板的完整性, 防止切顶和冒落失稳。同时结合动压范围内采取临时辅助加固措施, 防止阶段性顶板垮冒。由于留巷巷道受力集中、采掘扰动大, 造成围岩松动圈和位移量大, 支护难度大, 为保持沿空留巷的稳定性, 降低围岩的位移量和松动圈厚度, 必须从提高围岩强度和改善围岩受力状态两方面着手。
(2) 巷旁加强支护。
巷旁支护虽不能控制顶板岩层的活动趋势, 但可以与岩块C一起或代替岩块C成为采空区侧的支撑点, 与老顶围岩形成“简支梁”结构。而且巷旁支护如果初撑力大、支护及时, 不仅可以阻止岩块A与岩块B的断裂, 而且能过早地分担老顶和上覆岩层的载荷, 降低煤帮的负担, 有效控制老顶的回转失稳, 同时也有助于控制切顶失稳。因此, 巷旁支护既要满足承载性能的要求, 又要与快速推进的工作面相适应。
山西焦煤西山煤电集团有限责任公司屯兰矿为典型的高瓦斯矿井, 2010年该矿在18205轨道巷进行了沿空留巷工业性试验研究。18205综采工作面开采8#煤层, 煤层具有爆炸性, 自然发火类型为Ⅱ类, 属易自燃煤层;工作面瓦斯绝对涌出量32.9m3/min, 相对涌出量8.28m3/t;煤层厚度为2.3m~3.74m;煤层倾角4°~6°;巷道埋藏深度为4 2 2 m。据统计, 工作面每回采2000m, 因留煤柱滞留焦煤19.5万t, 经济损失约1亿元。
巷道基本支护采用锚网索联合支护方式, 采用混凝土膏体材料充填沿空留巷, 填充方法为进三刀充填一次, 每次充填长度为2.4m, 充填宽度为2.5m, 充填体在轨道巷内的宽度为0.9m, 在采空区的宽度为1.6m。采用在充填体内放置钢筋网的方法对充填体自身进行加固。安装KZL-300顶板离层自动监控系统;离层仪安设长度350m, 10个观测站, 进行24h监测, 并且布置巷道表面位移观测站。沿空留巷的顶板离层通常为27mm左右, 最大值为41mm。
邯郸矿业集团陶一煤矿生产能力为700kt/a, 主采2号煤层, 目前除九采区下山保护煤柱具有可采储量150kt左右以外, 七采区是最后一个接替采区, 可采储量约2.8M, t煤炭资源十分紧缺, 采掘衔接十分紧张, 同时深部瓦斯涌出量不断增高。以陶一矿12701综采工作面运巷沿空留巷试验研究为主进行分析。
沿空留巷技术的成熟, 易于解决采掘紧张关系, 并对于高瓦斯矿井, 可以现现“Y”型通风, 减少瓦斯在上隅角的集聚。并能实现无煤柱开采, 提高了煤炭采出率。
摘要：沿空留巷技术对于开采高瓦斯煤层的矿井而言, 工作面采用沿空留巷技术为“Y”型通风方式提供了必要条件, 解决了高瓦斯煤层工作面“U”型通风上隅角瓦斯积聚与超限问题, 其技术优势和经济效益显著。
关键词：沿空留巷,支承应力,高瓦斯煤层
[1] 柏建彪.沿空留巷围岩控制技术研究[J].煤矿支护, 2009 (2) .
[2] 李琰庆, 李志红.沿空留巷围岩失稳机理与控制技术[J].煤矿支护, 2010 (3) .
[3] 周华强, 侯朝炯, 易宏伟等.国内外高水巷旁充填技术的研究与应用[J].矿山压力与顶板管理, 1991 (04) .
[4] 武海.沿空留巷高预紧力锚杆支护技术实践[J].煤矿安全, 2010, 4.
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