无煤柱开采沿空留巷支护参数设计及效果分析

2020-06-11曹宽

山西冶金 2020年2期

曹宽

（山西临汾西山能源有限责任公司，山西临汾 041000）

多年来，煤矿安全生产一直是备受关注的话题，其主要包括综采工作面巷道的支护效果、工作面设备运行的安全性以及瓦斯、粉尘等易燃易爆的因素。其中，巷道支护是保证煤矿安全生产的基础。沿空留巷开采技术是当前应用于煤炭开采的主流技术之一，该开采技术能够有效减少巷道掘进的工作量、延长工作面服务年限以及能够有效解决工作面瓦斯安全等问题[1]。因此，沿空留巷开采技术被广泛应用。本文将以49407 工作面为研究对象，对其沿空留巷的支护工艺进行设计，并对其支护效果进行验证。

1 工程概况

某矿46309 工作面走向长度为1 817 m、倾斜长度为 187.4 m、面积为 340 505.8 m2，倾角为 2°～11°，平均5°。该工作面所采9 号煤层裂隙发育，结构简单，局部地段煤层下部夹0.2 m 的页岩或炭质页岩，厚度变化不大，属于稳定煤层。

46309 工作面煤层顶底板岩层情况如表1 所示。

最大涌水量25 m3/h，正常涌水量为0～5 m3/h。瓦斯绝对涌出量为2 m3/min，煤尘爆炸指数为21.33%，煤尘具有爆炸性；自燃倾向性等级为Ⅱ级，易自燃。

2 支护参数设计

2.1 支护设计

本文在结合实践经验及理论计算的基础上，46309 工作面的支护情况设计如下：

2.1.1 顶板支护

锚杆的规格为Φ18 mm×2 400 mm 的左旋螺纹钢锚杆，每排锚杆的数量为6 根，锚杆的间距和排距分别为700 mm，定锚杆的预紧力最小为200 m。此外，顶板采用铁丝网或钢制托盘进行辅助支护。

表1 46309 工作面煤层顶底板岩层情况表

2.1.2 实体帮支护

两帮支护锚杆的规格为Φ16 mm×2 000 mm 的右旋螺纹钢锚杆。此外，顶部锚杆与H 梁配合使用。为确保基础支护方案的支护效果，需锚杆相关的支护附件配合使用。锚杆支护附件类型及规格如表2所示。

表2 锚杆支护附件参数统计表

根据支护要求设定支护锚杆间的间距为1 000 mm，采用加长端头锚固方式[2]。顶锚杆和帮锚杆均采用树脂药卷进行固定，不同的是定锚杆采用的两种树脂药卷，规格分别为CK2350、Z2350；帮锚杆仅采用Z2350 树脂药卷进行固定。

2.1.3 采空侧帮支护

采用金属经纬网对采空侧帮进行支护，该金属网的规格为1.2 mm×2.2 m，网片间搭接0.1 m，并采用铅丝每隔0.2 m 双丝扭结牢固。

2.2 沿空留巷支护参数设计

为保证沿空留巷巷旁的支护效果能够满足实际生产的需求，对其支护所需的填充材料的凝固时间、凝固后所能提供的支护强度及其可缩性提出了更高的要求。其中，支护强度主要确保其能够阻止顶板的下沉，可缩性可确保其不会被破坏[3]。

经对比分析，该工作面沿空留巷巷旁所采用的充填材料为高水速凝材料（ZKD）[4]。实践表明，高水速凝材料不论从凝固后的支护强度还是从其可缩性等方面均能够满足实际生产的需求，确保巷道围岩尽管出现了较大的变形但其充填材料不会被切断。

充填材料强度的计算公式如下式所示：

式中：Eb代表充填材料的弹性模量；Ed代表沿空留巷直接顶的弹性模型；h 代表巷内底板到老顶的距离；h1老顶回转后接触矸石的高度；l1代表沿空留巷内关键块体的超前断裂位置；c 代表沿空留巷的宽度；d 代表巷旁充填材料的宽度；l 代表断裂块长；b 代表巷旁充填材料的高度，m 代表采煤机割煤的高度。

将该工作面的各参数代入上式中，得出满足该工作面支护效果所要求充填材料的最小强度不得小于5.48 MPa。对于高水速凝材料而言，当其水灰比为1.5∶1.0 时所得充填材料的强度能够满足上述要求。

3 支护效果验证

为验证本文支护参数的支护效果，采用压力检测仪对顶板及充填体的受力情况进行监测[5]。

3.1 顶板压力变化情况

将压力检测仪每隔30 m 布置于单体柱上，对现场的压力数据进行采集，得出如图1 所示的监测结果。

分析图1 可知，在距离工作面20 m 左右的位置顶板压力达到峰值，约为25 MPa；在距离工作面20 m 左右至120 m 左右的位置，顶板压力处于相对平稳好状态，约为21 MPa；在距离工作面120 m 至250 m 的位置范围内，顶板压力不断降低，并于距离工作面250 m 处达到最小值；此后，距离工作面300左右的位置处压力逐渐趋于稳定，并维持在8 MPa左右。