复杂动压下切眼留巷支护工程实践研究

牛孝田

（安徽恒源煤电股份有限公司,安徽 淮北 235000）

传统的“U”型通风方式容易出现工作面回采至瓦斯富集区域时回风上隅角瓦斯积聚问题,现在工作面回采期间多采用“Y”型通风方式[1-3],要求在切眼处留巷连通其他巷道作为工作面回风巷[4-6]。随着我国煤矿开采不断向深部发展,巷道受到多种应力作用导致支护难度越来越大。复杂动压影响下,巷道顶板易失稳破坏,出现巷道断面变形大难以维持正常使用,且维护困难。许多学者针对这一问题进行了研究,分析了复杂动压影响下顶板失稳机理及岩层运移规律[7-10]。不同地质条件下巷道的支护必须具有针对性,大量学者通过实践研究提出了各种不同支护方式[11-14],对相似工程背景下的巷道支护提供了参考和借鉴。

本文以恒源煤矿Ⅱ634 工作面切眼留巷为背景,研究了大断面、大埋深沿空留巷顶板复杂动压下的失稳机理,提出了一种新型支护技术,为类似条件下的顶板支护积累了宝贵的实践经验,应在类似条件下大力进行推广应用。

1 工程概况

恒源煤矿Ⅱ634 工作面位于Ⅱ63 采区中部,工作面东部为Ⅱ63 采区的轨道、运输和回风下山,其外侧靠近采区边界的孟口逆断层,工作面整体处在断层下盘；南部为Ⅱ633 工作面；西部切眼外侧为孟1 断层保护煤柱线；北部为规划还未开采的Ⅱ635 工作面。Ⅱ634 工作面设计为综采工作面,风巷利用Ⅱ633 机巷沿空留巷,机巷正常掘进,总体上属近走向长壁式布置,工作面走向长1934～1945m,倾斜宽173m；机巷标高-693.7～-743m,切眼标高-705～-695.9m。

2 Ⅱ634 切眼留巷期间顶板失稳机理

沿空留巷顶板各部分岩层对留巷稳定性的影响程度不同,直接顶是沿空留巷的直接接触部位,它对沿空留巷的稳定性具有直接的影响作用；而基本顶则需要通过直接顶才与巷道发生相互作用,同理基本顶上覆岩层载荷则需要经过基本顶和直接顶才能作用于沿空留巷,且基本顶上覆岩层的垮落特征、垮落后的赋存状态在很大程度上取决于基本顶岩层的破断特征及其垮落后的赋存状态。在几者的相互作用关系当中,基本顶起到主要作用,因此要控制沿空留巷围岩的稳定性就要首先解决基本顶结构稳定的问题。Ⅱ634 切眼留巷期间顶板断裂结构见图1。

图1 沿空留巷顶板断裂结构示意图

3 Ⅱ634 切眼大断面留巷期间顶板围岩控制技术

3.1 Ⅱ634 切眼大断面留巷期间顶板支护方案

3.1.1 Ⅱ634 切眼顶板采用Φ21.8mm、L=10000mm钢铰线进行初期加固,锚索在留巷5200mm 断面内按“三三”居中布置,留巷期间补强支护的恒阻锚索统一采用Φ21.8mm、L=11300mm 钢铰线,随工作面推进按设计位置跟进布置,恒阻锚索布置方式如下：

Ⅱ634 切眼顶板恒阻锚索顺巷布置4 列,第1 列到第4 列锚索距切缝线分别为500mm、2100mm、3700mm和4700mm,排距分别为800mm、1600mm、1600mm 和1600mm。锚索外露长度250mm-300mm,预紧力不小于250KN,生根到顶板稳定岩中不低于2000mm。所有恒阻锚索均采用钢筋梯子梁连接,相邻梯子梁压茬连接,梯子梁规格为3800mm×120mm,梯子梁采用φ18mm 圆钢焊接。恒阻锚索配套恒阻器长度为500mm,外径79mm,最大允许变形量350mm,恒阻值为30±2t,预紧力不小于250kN。锚索托盘采用厚度18mm 平钢板加工,托盘规格：长×宽×厚=300mm×300mm×18mm,托盘居中扩φ105mm 圆孔,超前支护设计见图2。

图2 Ⅱ634 切眼超前支护设计平面图

3.1.2 Ⅱ634 切眼内顺巷布置两列单元式支架作为被动临时支护,单元式支架选用ZQ4000/20.6/45 型超前液压支架,初撑力24MPa,随工作面推进按设计位置跟进布置,单元式支架布置方式：第一列距切缝线1500mm,排距3000mm,第二列距切缝线3000mm,排距3000mm,局部可以根据锚索位置做适当调整,以不破坏支护锚索为准,Ⅱ634 切眼架后单元式支架临时支护效果图见图3。

图3 Ⅱ634 切眼架后单元式支架临时支护效果图

3.2 单元式支架安装流程优化

为保证割煤移架期间随着控顶面积的增大,留巷内顶板支护的安全,在留巷期间割煤移架过程中,对相关支护标准及流程进行技术优化,提出单元式支架“先稳后跟,单定双进,交叉紧贴”的安装流程：

3.2.1 在掘进切眼刷大形成6.8m 大断面期间随着断面的扩大及时在巷中跟进一列单元式支架,初撑力24MPa,确保在切眼大断面矿山压力显现前稳住顶板,减少由于支撑力不足导致的顶板扰动。

3.2.2 切眼内液压支架安装完成后随着工作面的回采、液压支架的推进、断面的扩大,完成第二步后及时按照支护设计重新跟进切眼内单元式支架至预定第一列位置,且加密布置,确保单元式支架能够始终处于留巷断面中间位置从而使支撑效果最佳。

3.2.3 随着液压支架的继续推进,完成第三步施工流程,采取“单定双进”的方式,即第一列单元式支架单号支架稳定不动,双号支架跟进紧贴液压支架,从而减少了对顶板的二次扰动,确保了更大断面的顶板支护效果,同时给其余单元式支架安装创造了运输路线。

3.2.4 在割煤移架全过程中严格落实对顶板支护锚索的保护措施,所有液压支架顶梁与顶板之间填充木料结实,同时液压支架始终保证24MPa 支撑强度,带压移架。具体见图4。

图4 Ⅱ634 切眼大断面留巷“单定双进”移架示意图

4 现场工程实践

Ⅱ634 切眼大断面留巷期间使用新的顶板支护方案并优化单元式支架安装流程,对切眼留巷表面位移、顶板离层和单元式支架受力进行监测。在Ⅱ634 切眼两端头各建一组离层仪和表面位移站,切眼内12#、13#断层破碎带各建一组离层仪和表面位移站,其他位置按照30m 间距建站,共计建离层仪、位移站各6 组,测站分布图如图5 所示。Ⅱ634 切眼自留巷完成,每周矿压监测不少于两次,图6 为Ⅱ634 切眼留巷变化规律图。

图5 Ⅱ634 切眼测站分布图

图6 Ⅱ634 切眼留巷变化规律图

单元式支架受压变化情况：受工作面采动影响,U 型钢侧支架矿压显现较人行道侧支架明显,单元式支架立柱安全阀全部打开45 架,占比91.8%；人行道侧单元式支架立柱安全阀打开31 架,占比60.7%。断层处两排单元式支架立柱安全阀全部打开,木垛受力变形较大。

通过以上矿压监测结果及单元式支架受力变化情况分析：整体情况来看Ⅱ634 切眼大断面切顶留巷后单元式支架基本全部泄压阀打开,所以支撑力都已达到峰值4000KN,换算后单位面积内承重达380t,可见支护难度非常大。顶底板及两帮位移在工作面初放以后迅速增大,增量明显,但最终在推进50m 以后两帮位移基本稳定,70m 后顶底板位移及离层情况都基本稳定,其中4#位移站及离层仪处为断层破碎带,变化最为明显,顶板完整性也最差,其他离层量均为0 说明普通顶板主动支护效果显著,基本达到了预想目标。

5 结论

针对恒源煤矿Ⅱ634 工作面切眼留巷受到复杂动压影响巷道变形严重,难以满足巷道运输运料需求的问题,研究了Ⅱ634 工作面切眼留巷期间顶板支护方案和单元式支架安装流程得到以下结论：

5.1 大采深、大断面切眼留巷采用双排单元式支架配合恒阻锚索进行密集支护可以有效控制工作面回采过程中动压显现剧烈时的顶板位移,实现了留巷后运输路线的持续畅通,避免了后期巷道的大范围失修。

5.2 在切眼留巷施工过程中优化割煤移架施工流程,“先稳后跟,单定双进,交叉紧贴”的施工方式使顶板在工作面动压影响下得到有效控制,“带压移架、接顶护索”的作业标准提高了最终留巷效果。