沿空留巷支护设计研究

2021-08-02康显强

煤 2021年8期

康显强

(山西高河能源有限公司，山西长治 046102)

我国资源储量丰富，整体能源格局为多煤、少油、贫气。随着多年的开采，煤炭资源的储量日益减少，为解决煤炭资源消耗过快的问题，提出用清洁能源代替化石能源的目标。但由于我国清洁能源处于起步阶段，风能、水能、太阳能等清洁能源无法直接替代化石能源，所以煤炭资源的开采仍是我国主要的能源消耗保障。在目前的煤炭市场环境下，煤炭做为不可再生的化石能源，节约煤炭资源、提高煤炭采出率已成为煤炭企业可持续发展的必然趋势[1-2]。采用沿空留巷无煤柱开采可增加煤炭资源回收率，提高煤炭企业服务年限，该方法被越来越多的矿井采纳。此前众多学者对不同切顶参数下巷道的稳定性进行了研究，发现预裂切顶技术能够有效提升煤炭资源的回收率，降低巷道围岩变形和维护成本[3-4]。本文以高河矿为研究背景，对沿空留巷围岩的支护进行研究，为矿井沿空留巷无煤柱开采提供一定的参考。

1 力学试验研究

高河矿W1319工作面煤层总厚度为2～3 m，平均厚度为2.78 m，煤层赋存稳定，全部可采。工作面煤层总体呈走向东北-西南，倾向东南的单斜构造，地层倾角变化不大，为1～10°，平均倾角6°。工作面煤层内有0～2层夹矸，黑色，裂隙较发育，条带状结构层理不发育，节理和裂隙比较发育；该煤层呈黑色，强玻璃光泽，断口具阶梯状，容重1.40 t/m3，硬度为2.0左右。

现在回采的工作面，直接顶板为厚度2.7 m的灰岩；老顶全区分布，岩性为K2石灰岩，厚层状，质坚硬，性脆，厚度1.40～13.55 m，303孔RQD值为36%，岩石质量为劣等，岩体完整性差，饱和抗压强度为34.8～37.6 MPa，为中等稳定顶板。

将采空区顶板垮落的岩石，进行力学试验，将垮落岩石利用水钻及打磨机制作成标准试件，利用压力机对试件进行力学测试，试件及试验图见图1。

图1 试件及试验

试件经过打磨后，安装至单轴压力机，在进行试验前，将压力机的轴型座涂抹黄油，保证试件受力均匀，避免试件出现应力集中，发生剪切破坏，将试件进行编号，统计试件的抗压强度如表1所示。

表1 抗压强度试验

同样对顶板试件进行抗拉、抗剪强度的实验，统计岩石的抗拉抗剪强度，如表2和表3所示。

表2 抗拉强度试验

表3 抗剪强度试验

根据地质报告提供的顶底板岩石力学参数和矿方送样到实验室测得的顶板岩石力学参数得知，顶板抗压强度为45.4～58.1 MPa，平均50.34 MPa；抗拉强度为3.89～6.42 MPa，平均5.44 MPa；抗剪强度为13.67～17.06 MPa，属于中等稳定顶底板。根据现场查看，本矿井地质构造较多，巷道顶板完整性变化较大，无节理裂隙段，在地质构造和节理裂隙发育段，顶板完整性较差，围岩稳定性较差，需要加强支护。

2 支护设计研究

工作面推进过程中，不同位置巷道受到的采动影响不同。工作面超前段会受到超前支承压力的影响。工作面开采后，顶板开始垮落，且从垮落到稳定需要一定的时间，因此距工作面较近的架后区域不仅需要进行顶板支护，还需进行挡矸支护。随着工作面继续推进，当巷道距工作面较远时，顶板运动基本会趋于稳定，此时可将架后临时支护的设备撤掉(或部分撤掉)，只进行挡矸支护即可。根据以往工程经验，巷道沿空留巷可划分为4个区：超前补强区，超前支护区(工作面前方20 m)，滞后临时加强支护区(架后暂定0～200 m)和成巷稳定区(架后暂定200 m之后)，如图2所示。

图2 沿空留巷区段划分

为了保证留巷的稳定性，根据巷道围岩条件，结合现有支护参数，确定采取锚索补强支护，保证巷道的稳定性。工作面采动影响可分为两段，即超前采动影响和采动后影响。超前支护区位于工作面超前采动影响范围内，滞后临时支护区位于工作面煤壁后方。

顶板完整段锚索补强加固：在顶板补打2排锚索，锚索采用D21.8-1×19-8 000 mm钢绞线。第一排补强锚索距留巷帮1 100 mm(9105工作面侧)，排距1 000 mm；第二排补强锚索距第一排锚索间距2 000 mm，排距2 000 mm。锚索均垂直于顶板方向布置，选用300 mm×300 mm×16 mm的托盘。

第一排和第二排同时有锚索时，锚索之间用W钢带连接(W钢带垂直于巷道轴向)。W钢带规格：宽度280 mm、长度2 400 mm、孔间距2 000 mm、厚度3 mm。锚索使用1卷MSCK2360和2卷MSK2360树脂锚固剂锚固，锚索锚固力不小于500 kN，预紧力不小于150 kN。

顶板裂隙段锚索补强加固：重新补打2排锚索，锚索采用D21.8-1×19-8 000 mm钢绞线，补打后锚索排距1 000 mm，间距2 000 mm，第一排补强锚索距留巷帮1 100 mm(9105工作面侧)，锚索均垂直于顶板方向布置，选用300 mm×300 mm×16 mm的托盘。

锚索之间用W钢带连接(W钢带垂直于巷道轴向)。W钢带规格：宽度280 mm、长度2 400 mm、孔间距2 000 mm、厚度3 mm。锚索使用1卷MSCK2360和2卷MSK2360树脂锚固剂锚固，锚索锚固力不小于500 kN，预紧力不小于150 kN。支护断面如图3所示。

图3 顶板支护断面示意(mm)

根据沿空留巷技术要求，在巷道内进行巷道表面位移监测、巷道顶板离层监测、锚索受力监测和巷道单体液压支柱载荷(含活柱下缩量)监测四种监测手段。距切眼每50 m设1个测站；每个测站由1套顶板离层监测仪、1套锚索受力监测仪和4个巷道表面位移测点组成。

经过现场监测发现，沿空留巷实现了无煤柱开采，消除了煤柱影响区的应力集中，防止矿井发生冲击矿压或煤与瓦斯突出，最大限度地减少了采空区遗煤，降低了矿井自燃发火几率，有利于矿井防止内因火灾，从根源上改善矿井安全生产环境。每个回采工作面可以少掘1条巷道，回采巷道掘进率降低40%以上，极大地缓解了矿井采掘衔接矛盾。采区内部实现连续开采，简化了生产系统，矿井开采安全可靠性显著提高，向本质安全型矿井的建设目标迈进了一大步。