兰花宝欣煤矿3103工作面沿空留巷技术研究及应用

2021-03-22杨浩

煤 2021年3期

杨浩

(山西古县兰花宝欣煤业有限公司，山西临汾 042405)

1 工程概况

山西兰花科创宝欣煤矿3103工作面位于井田北翼，工作面倾斜长度150 m，走向长度710 m，工作面布置平面图如图1所示，工作面开采3号煤层，煤层厚度为1.5～1.9 m，平均厚度为1.77 m，煤层结构简单，内部不含夹矸，工作面区域直接顶岩层为泥岩，均厚3.29 m，基本顶岩层为中细砂岩，均厚3.12 m，底板岩层为砂质泥岩和粉砂岩。为提升矿井生产效果，工作面采用沿空留巷技术，3103轨道运输巷为留巷巷道，本工作面回采后为下区段3105工作面提供运输服务，为保障沿空留巷技术的顺利实施，特进行沿空留巷技术方案设计。

图1 3103工作面布置平面(m)

2 沿空留巷技术

由于3103工作面开采煤层较薄，工作面顶底板岩层特征也相对较好，为充分提高工作面的回采率，特采用无巷旁充填体沿空留巷技术[1-3]，在进行巷道围岩控制时，在巷道掘进期间进行巷道基本支护参数的设计，在工作面回采前,进一步进行支护形式的补强支护，在工作面回采期间,进一步对巷道围岩进行加固，具体巷道围岩支护方案中的各项参数如下：

1) 巷道掘进期间支护方案：3103轨道运输巷道为矩形断面，断面尺寸为宽×高=4 500 mm×2 500 mm，巷道采用锚网索支护，顶板锚杆采用左旋无纵筋高强锚杆，规格为MSGLW-400/20×2000，顶板锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，预紧力矩不小于300 N·m，顶板锚索采用高强度低松弛预应力钢绞线，规格为SKP17.8-7/1860，长度4 250 mm，锚索采用“2-2-2”布置，间排距为2 000 mm×1 000 mm，预紧力为120 kN；巷道两帮锚杆采用全螺纹左旋等强锚杆，规格为MSGLD-335/18×2 000，间排距为700 mm×1 000 mm，预紧力矩为250 N·m，巷道全断面采用10号铁丝编制的金属网进行护表，巷道锚杆索顶板及两帮锚杆索之间采用钢筋梯子梁进行连接。

具体3103轨道运输巷道掘进期间巷道支护形式如图2所示。

2) 工作面回采前加固方案：为保障工作面回采期间顶板的稳定，在工作面回采前，在巷道顶板中部补设一个单体锚索，锚索规格为D17.8 mm×4 250 mm，锚索托盘采用方形托盘，参数为300 mm×300 mm×15 mm，补强锚索预紧力为120 kN；在顶板两侧距离巷帮400～600 mm的位置超前布置纵向锚索梁，梁长2.6 m，孔距为2.1 m，配用14号槽钢，具体运输轨道巷道顶板锚索加固布置形式如图3(a)所示；工作面非回采帮在工作面回采前同样进行补强加固，在非回采帮增设补强锚索，锚索采用1×7股高强度低松弛钢绞线，规格为D17.8 mm×4 250 mm，预紧力为120 kN；布置两道走向锚索梁，在每道锚索梁下压设三根钢带，具体非回采帮的补强加固支护形式如图3(b)所示。

图2 巷道支护参数断面(mm)

图3 工作面回采前巷道加强支护形式(mm)

3) 工作面回采期间加固方案：工作面回采期间，巷道回采帮一侧随着工作面的回采进行，上覆岩层会逐渐垮落，为在回采帮一侧对顶板形成有效支撑，紧随工作面顺巷布置3排单体液压支柱，单体支柱超前工作面30 m进行施工，其中靠近采空区的一排采用液压支柱+工字钢的组和结构，支护结构顶部采用十字铰接顶梁进行连接，支柱底部通过液压支柱穿鞋将其连接成一个整体[4-6]，液压支柱的排距为600 mm，靠近采空区一排液压支柱与巷道中心之间的距离为1 650 mm，支护形式为一梁一柱；第二排、第三排单体液压支柱与第一排液压支柱间的距离为600 mm、2 650 mm，二三排单体液压支柱通过一字铰接顶梁进行连接，梁长1 200 mm，二排和三排单体液压支柱排距为600 mm，本次临时支护采用的单体液压支柱型号为DW25-300/110，单体支柱柱径为110 mm，在单体柱支设时，确保其初撑力大于90 kN，保障支柱的活柱可缩量大于500 mm，具体工作面回采期间的加固支护布置形式如图4所示。

图4 工作面回采期间加固支护布置示意

另外在工作面回采期间，为防止采空区的矸石涌入巷道内部，对支护的单体液压支柱造成挤压冲击，现采用工字钢+金属菱形网进行护帮支护，金属菱形网的网孔为60 mm×60 mm，尺寸为长×宽=4.0 m×1.0 m，同时为防止铰接顶梁和单体支柱铁鞋的完整，设计工字钢的支护高度比巷道高度高出300 mm，并在底部设置30°的倒角斜面，设置其与底板之间的间距大于300 mm。

在进行采空侧铺网时，首先在工作面超前支护区域内进行回采帮的退锚作业，随后将金属网悬挂在巷道顶部，在工作面回采推过后将金属网片放下，同时再加设一层金属网片，新铺设的金属网片采用12号铁丝与顶部金属网片进行连接，顶部网片会挡矸网片搭接500 mm，采用双丝双扣，扣距为100 mm；另外在挡矸网铺设完毕后，在巷道内侧挂设一道土工布，在土工布上喷涂5 cm厚的化学柔性材料，以有效阻止向采空区内部漏风[7-8]。

3 留巷效果分析

在3103轨道运输巷道掘进期间、工作面回采前及工作面回采期间，分别进行巷道围岩变形量的观测作业，巷道围岩变形量观测位置为3103轨道运输巷道40～740 m，在进行围岩变形观测时，每间隔10 m布置1组测点，在每组测点分别进行巷道宽度和高度的测量作业，根据观测结果能够得出巷道在不同时间下的围岩变形情况。

根据巷道掘进期间的地质条件和现场观测结果将巷道围岩划分为三类，分别为：

Ⅰ类围岩：正常地段，巷道顶板完整，且无明显的下沉、网兜现象；且锚杆索无拉穿现象；

Ⅱ类围岩：巷道淋水和轻微破碎地段，围岩表现为较为破碎，且围岩表面出现凸凹不平现象，巷道存在网兜和冒顶现象；

Ⅲ类围岩：地质构造和破碎围岩地段；该区域围岩主要受到地质环境变化的影响，致使巷道围岩变形后表现为台阶形状，且存在着锚索被拉断脱落的现象。

3.1 巷道掘进期间

根据围岩变形监测结果，能够绘制出巷道现有断面尺寸曲线如图5所示。

图5 巷道掘进期间断面尺寸曲线

结合巷道的地质条件及变形特征分析图5可知，巷道Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类围岩占到巷道总长的比例分别为53.6%、31.0%和15.4%。巷道掘进期间，在淋水地段和地质构造区域存在着冒顶现象，巷道断面基本均大于设计断面，围岩正常段顶底板最大移近量为100 mm，同样在淋水和地质构造区域巷道两帮也存在着超挖现象，围岩正常段两帮最大移近量为250 mm，据此可知，巷道围岩在该支护方案下掘进期间围岩变形量相对合理，可保障围岩的稳定。

3.2 工作面回采期间

在工作面回采期间，持续对巷道围岩变形情况进行监测分析，持续监测至工作面回采推进400 m，根据监测数据得出顶底板岩层在工作面回采期间处于稳定状态，顶底板最大移近量为260 mm，满足回采巷道的使用要求，故现具体分析工作面回采期间两帮变形情况，基于监测结果可绘制出巷道宽度及两帮收敛曲线图，如图6所示。

图6 巷道宽度及收敛量曲线

分析图6可知，工作面回采期间，在巷道不同里程处，巷道断面的收敛值不同。在巷道300～350 m、400～460 m、600～630 m里程处，由于围岩受到地质构造的作用，两帮收敛量较大，最大收敛量达到1 200 mm，在巷道其他里程处，巷道围岩未受到地质构造作用，围岩属于Ⅰ类和Ⅱ类围岩，两帮最大移近量为550 mm，围岩变形量满足回采使用要求。