某矿自适应载荷巷旁支护技术的研究

2019-06-05张存才

山西化工 2019年2期

张存才

(山西焦煤集团西山煤电集团东曲矿综采准备队，山西古交 030200)

引言

煤矿井下综采作业离不开井下支护，支护作业的效率和稳定性直接决定着煤矿井下综采作业的效率和综采作业安全。传统井下支护技术主要依赖于液压支架、墩柱等共同组成的井下支护结构，确保支护作业的稳定性，但随着综采技术的快速发展，传统的井下支护作业效率不仅无法适应井下综采作业速度的快速发展，而且支护时留下了大量的煤柱，导致综采作业面的煤炭回采率低，给煤矿井下作业造成了较大的影响[1]。本文针对某矿井下作业时支护效率低下、回采率低的难题，结合某矿井下巷道的实际情况，提出了一种自适应载荷巷旁支护技术，通过实际应用，其表现出了极高的稳定性，不仅极大地提升了综采作业时的支护效率，而且也极大地提升了回采率，显著提升了综采作业的经济性，目前该巷旁支护技术已经在某矿得到了全面的推广应用。

1 巷旁支护阻力确定

某矿的额定生产能力为1 140万t/a，其1071工作面处于地质断层结构处，用于验证自适应载荷巷旁支护技术的巷道宽度为4 100 mm，高度为3 000 mm，煤层的平均厚度为3 051 mm，综采作业面上煤层倾角为17.4°，其工作时巷道围岩的力学模型如图1所示。

图1 巷道围岩的力学模型

由物体受力平衡时的静力学模型可知，当图示沉降块BC平衡时，其静力学模型可表示为式(1)、式(2)。

NB-NC-qL=0

(1)

TB=TC

(2)

同理，对沉降块AB进行相同的静力学分析，结合综采作业过程中巷道的顶板的移运规律，最终可计算得出进行巷旁支护时的支护阻力pa，可表示为式(3)[2]。

(3)

式中：M1为巷道基本顶岩层的极限弯矩，N·m；py为巷道顶板作用在煤层上的压力,MPa；M0为沉降块A点处的残余弯矩，N·m；q0巷道直接顶的单位长度的质量,kg；Q为基本顶上层的岩层的单位长度质量,kg。

由此根据某矿井下巷道的实际地质情况，求得巷道支护时的支护阻力Pa=2 643.76 kN/m，故在进行巷旁支护作业时，设置墩柱时需在确保其临界压力低于40 MPa时尽量加大间距，以降低巷道内的墩柱的数量。

2 自适应载荷巷旁支护工艺方案

综合某矿井下巷道内的实际地质条件，制定的巷旁支护工艺方案主要包括以下几个方面;

1) 在超前回采工作面上按照每40 m设置一个墩柱，在设置墩柱时需要将墩柱紧靠着槽钢煤帮的侧壁设置，设置完成后需要将其用铁丝固定到顶板槽钢上，防止倒塌。

2) 墩柱设置完成后，需向墩柱内灌入灌浆料，灌浆料采用水泥、沙子以及石子，按照质量比为1∶2∶2的比例[3]进行设置，确保灌浆料的流动性和凝固时间的有机平衡。

3) 灌浆完成后，需要在原先固定钢丝网的基础上继续对其进行围护直到接住底板为止，然后，将设置的钢丝网固定到墩柱的挂钩上，使相邻的网片搭接大于100 mm。在煤帮侧边依次设置隔离墙，在墩柱的液压点完成回撤后，将墩柱每隔10组，对采空区域进行喷浆，喷浆的高度要完全没过钢丝网。

在某矿井下设置的巷旁支护现场图如图2所示。

图2 某矿井下设置的巷旁支护现场图

3 自适应载荷巷旁支护技术的应用效果

为了对该巷旁支护技术的实际支护效果进行验证，选定1071工作面对其进行支护稳定性分析，其支护过程中首先选定3个监测点对其工作时的巷道顶板的移近量进行研究，其监测结果如图3所示。

由实际监测结果可知，当采用新的自适应巷旁支护时其工作面上围岩的变化过程可分为3个部分，在工作面后侧21 m范围内其围岩的变形速度迅速增加，22 m～50 m范围内围岩变形速度稍微降低，当超过50 m以后围岩变形基本稳定。由此可知，综采过程中工作面后侧50 m范围内是井下巷道顶板围岩最容易发生下沉的区域，采用新技术后其顶板的最大移近量约为400 mm，比之前的551 mm降低了约27.4%，显著提升了井下支护作业的稳定性。

采用新的支护技术后墩柱工作时段变形受力情况如图4所示。

图3 工作面顶底板的移近量曲线

图4 墩柱的压力及压缩量变化曲线

由监测结果分析可知，在工作面后侧21 m范围，围岩顶板的下沉速度较快，使顶板的变化量增加较快，此时墩柱主要起辅助的支撑作用，能够有效地避免发生离层异常，此时主要是墩柱的外壳起支撑作用，墩柱内部的灌浆料未受到大的压力作用，因此压力增加值较慢。当超过21 m后由于顶板下侧距离增加导致开始压缩墩柱内的灌浆料，使其逐渐的压实，满足对顶板下沉的支护作用，此时内部的压力迅速增加并逐渐趋于稳定。其最大的压缩量约为255 mm，最大应力约为26.9 MPa，小于墩柱的临界压力(约40 MPa)，完全满足井下综采作业的支护要求，确保了井下支护作业的安全性。

同时，由于设置时墩柱的距离增加，有效地降低了井下巷道的墩柱数量，使相同巷道内的墩柱数量降低了约12%，减少了支护作业的工时，提升了综采作业效率和回采率。