近年来, 随着冀中能源峰峰集团沿空留巷支护技术推广应用力度的加大, 我们结合黄沙矿实际情况, 充分调研, 积极探索, 推广应用沿空留巷技术, 取得一些宝贵的经验。
(1) 在煤层顶板已经受到下部煤回采破坏条件下, 成功在采空区上回采工作面实现沿空留巷, 开创了上行开采不能沿空留巷的历史。 (2) 在顶板岩层面遭受掘进破坏, 顶板岩层面不完整情况下实现了沿空留巷, 打破了只有沿煤层顶板掘进才能进行沿空留巷的历史, 为沿空留巷技术开拓了新途径。 (3) 进行沿空留巷的巷道掘进时, 采用综掘机摸底进行掘进, 掘后巷道净宽达到4500mm, 净高达到2700mm, 并且由于这个工作面煤层平均厚度1200mm且煤层倾角平均17°, 因此, 工作面与运煤巷出现一个平均600mm台阶, 因此, 黄沙矿在台阶之上进行沿空留巷以后的巷道净跨度达到5000mm, 净高达到2700mm, 留巷断面达到13.5m2, 为以后综采工作面沿空留巷提供了宝贵经验。
该试验工作面为黄沙矿112上83工作面, 工作面煤层平均厚度为1.2m, 老顶为细砂岩 (厚度10m) 直接顶为粉砂岩 (厚度3m) , 直接底细砂岩, 老底中砂岩, 煤层平均倾角为17°。本工作面下部2号煤已采, 煤层顶板压力大。由于使用综掘机掘进, 根据掘进设备和生产需要, 工作面两巷宽度4.5m, 高度2.7m, 采用锚网索支护。柔模泵注混凝土沿空留巷应用范围平面图如图1所示。
本工作面沿空留巷选用柔模泵注混凝土支护方式。柔性模板泵注混凝土支护技术是一种新型沿空留巷支护技术。随着采煤工作面的推进, 紧跟回采工作面, 在工作面端头支护效应消失前, 在单体支柱的掩护和支撑下, 在巷旁支护的外侧, 用锚杆或点柱将柔性模板固定, 将可调节凝固时间、调节强度的自密实混凝土泵入模板, 在回采工作面后方采空区与巷道之间形成一道密闭混凝土连续墙, 弥补回采造成巷道—帮的缺失, 与原有巷内支护及临时支护形成一个整体, 共同承担采动及其它压力, 保护巷道稳定, 隔绝瓦斯及有害气体, 防止采空区自然发火, 使该巷用于下一个工作面回采。
采用“分离岩块法”计算支护体载荷。巷旁支护带处于未采动煤体的高压力区和冒落矸石之间, 是一个降压区, 岩块一边的采空区提供一个主要自由面, 因岩块呈层状, 可能在一定高度H上产生离层, 导致岩块沿煤体以θ角断裂, 进入完全自由状态, 成为支护体的载荷。分离岩块法计算支护体载荷的力学模型如图2所示。
式中:q为支护体载荷;
bB为支护体内侧到煤壁的距离, 本次支护中支护体左侧边缘与巷道右帮在一条铅垂线上, 计算可得该距离为4.9m;
x为支护体的宽度, 本次支护取1.2m;
bC为支护体外侧悬顶距, 原沿空留巷设计中, 在溜子道倾斜上方2m处爆破切顶, 计算可得该距离为1.3m;
γs为岩块重度, 取直接顶石灰岩的重度26.6kN/m 3;
h为采高, 本次支护为1.2m;
θ为剪切角, 根据经验选取为26°;
α为煤层倾角, 为17°;
H为冒落高度, 根据经验选取4h, 为4.8m。
计算可得支护厚度为1.2m时支护体的载荷为
即单位长度、支护厚度1.2m的支护体载荷为752kN。
将单位长度、厚度1.2m支护体视为轴心受压柱模型, 可计算出支护体的正截面承载能力。模型柱高3m, 短边长1.2m, 构件的长细比为3/1.2=2.5, 通过查阅轴心受压构件的计算方法, 得构件的稳定系数ϕ取1.0。
模型柱的承载能力计算如下式所示:
式中:N2为支护体的承载能力;
ϕ为构件的稳定系数, 取1.0;
fc为混凝土的轴心抗压强度, C20时为9.6N/mm 2;
A为截面面积, 为1000×1200mm2。
N2=09×1.0×9.6×1000×1200=10368kN
单位长度、厚度1.2m、标号C20的混凝土承载能力为10368kN, 远大于支护体的载荷752kN, 且安全系数可达10以上, 因此可视为支护结构安全。
柔模泵注混凝土设计与普通混凝土设计相比, 第一, 砂率要比普通混凝土大, 通常情况下为45%～55%;第二, 石子的最大粒径要与输送管的直径、输送距离及柔模厚度相适应, 长距离输送, 一般采用5mm～16mm连续级配碎石;第三, 搅拌的混凝土水灰比取0.5～0.6为宜;第四, 坍落度宜为180mm～220mm。
柔性模板的尺寸必须结合巷道断面大小及施工条件综合考虑。考虑到施工误差以及柔性模板的0.2m的富余量, 选择柔性模板高度为3m;考虑到施工进度、施工水平等相关条件, 选择每一模长度为2m, 混凝土支护厚度1.2m。
支护结构为柔模泵注混凝土。由双层高强度布缝制而成, 柔性模板长度2m, 高3m, 厚度1.2m矩形;为提高混凝土强度, 在柔性模板上预留锚栓孔, 根据现场使用情况, 在需要的情况下进行泵注混凝土之前将锚栓穿过模板, 锚栓两端上托板及螺母, 并注意保持两端托板之间的距离。沿每一模横向方向有2根锚栓来提高混凝土强度如图3所示。
在原巷道上帮, 靠近C20混凝土支护旁边补打一排锚索, 锚索采用Φ20mm的钢绞线锚索, 长度为9m。锚索用20号槽钢连接, 沿巷道走向布置。锚索排距为1m, 顶板破碎时, 锚索排距改为0.5m。原巷道基础用长度1m, 直径20mm锚杆加固, 锚杆排距1.0m, 使用长度300mm, 宽度200mm, 厚度14mm钢托盘护帮。
在沿空留巷过程中, 受剧烈采动影响的仅是工作面前后方的某一地段, 随着工作面采过一定距离, 采动影响也逐渐减弱, 所以没有必要对整条巷道都按剧烈采动影响的要求进行支护, 这就只需要进行临时滞后支护。滞后支护选用单体配铰接式长梁支护, 1梁1柱, 梁长1m, 长梁打设3排, 排距0.8m, 滞后工作面支护距离40m。
(1) 支护形式。
在巷道内使用柔模泵注混凝土连续墙抓好留巷成功的基础上, 根据实际情况, 巷道净宽达到4.5m, 净高达到2.7m, 工作面煤层平均厚度1.2m, 煤层倾角平均17°, 煤层开采厚度1.2m, 进行了巷旁沿空留巷试验, 获得了成功。留巷形式如图4。
(2) 工艺:下机窝提前补打支护→割煤→移架→挂柔模→泵注混凝土→回柱→下一循环。
(3) 巷旁沿空留巷与巷道内留巷相比优缺点。
优点: (1) 节省留巷充填材料, 降低成本。 (2) 留巷工程量小, 留巷速度快, 有利于工作面快速推进。 (3) 留巷后断面大, 有利于今后大型设备使用。
缺点: (1) 留巷基础不稳。 (2) 巷道两侧顶板均不完整, 完整顶板遭受掘进破坏, 留巷支护难。
(4) 采取措施。
(1) 巷内加固措施, 在C20混凝土支护旁边补打一排锚索, 锚索采用Φ20mm的钢绞线锚索, 长度为9m。锚索排距为1m, 顶板破碎时, 锚索排距改为0.5m。锚索预紧力300kN, 通过增大锚索预紧力维持顶板岩层稳定。 (2) 巷帮维稳措施, 原巷道基础用长度2m, 直径20mm锚杆加固, 锚杆间距1m, 上下两排, 使用长度0.3m, 宽度0.2m, 厚度14mm钢托盘护帮, 锚杆预紧力130kN, 维持巷帮基础稳定。 (3) 沿空留巷滞后支护:在沿空留巷过程中, 受剧烈采动影响的仅是工作面前后方一定距离, 随着工作面采过一定距离, 采动影响也逐渐减弱, 通过观测, 采动影响距离在煤壁前后各40m, 所以对受采动影响的地段没有必要对整条巷道都按剧烈采动影响的要求进行支护, 这就只需要进行临时滞后支护。滞后支护选用单体配铰接式长梁支护, 1梁1柱, 梁长1m, 长梁打设4排, 排距1m, 滞后工作面支护距离40m。
(1) 黄沙矿112上83工作面为采空区上工作面, 顶板不完整、破碎, 两巷断面大。该试验成功, 为上行开采及综采工作面沿空留巷提供了宝贵的经验, 可广泛应用于煤矿沿空留巷及矿山无矿柱开采, 具有推广价值。 (2) 巷旁柔模泵注混凝土与巷内锚网索联合支护结构合理, 保留巷道稳定, 适应性强。 (3) 该支护工艺节约巷道成本, 减少资源损失, 同时能实现沿空留巷机械化作业, 减轻劳动强度, 改善作业环境, 具有良好的经济和社会效益。
摘要：本文以112上83工作面运煤巷沿空留巷支护为实例, 阐述了采空区上工作面不完整顶板条件下巷旁柔模泵注混凝土与巷内锚网索联合支护技术, 为上行开采条件下大断面不完整顶板下沿空留巷提供了一种途径, 同时为综采工作面沿空留巷提供了宝贵经验, 具有广泛的应用前景。
关键词：采空区上,不完整顶板,沿空留巷
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