朱庄煤矿Ⅲ635工作面切顶留巷防风堵漏技术研究

2023-07-26张家委杨敬轩

山西焦煤科技 2023年5期

张家委,杨敬轩,卢硕

1.淮北矿业股份有限公司朱庄煤矿,安徽淮北 235047;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116)

淮北矿业集团股份有限公司朱庄煤矿坐落于安徽省淮北市杜集区矿山集镇境内,井田面积25 km2,服务年限62年。矿井属低瓦斯矿井,现核定生产能力220万t/年,矿区赋存3、4、5、6四层煤,煤质较好。其中,3、4、5煤层受岩浆侵蚀,均不可采。近年来,随着煤矿生产效率的提高,矿井6煤开采面临采掘紧张接替问题。通过调研论证,决定在Ⅲ635工作面实施沿空留巷方案,降低巷道掘进工程量,缓解接替紧张局面。

工作面煤层开采后,覆岩顶板断裂、垮冒,形成了经典的“三带”分布[1-3]. 根据工作面沿空留巷施工特点,留巷采空区侧顶板的断裂回转,冒落矸石垮落、挤压、碰撞过程中有向巷内窜出趋势,矸石不规则堆叠,形成了留巷采空侧天然墙体[4-6],孔隙率较大,造成留巷过程中沿空墙体的后续漏风问题比较突出,必须加强采空区巷帮的挡矸及密闭设计[7-8]. 为此,针对朱庄煤矿Ⅲ635工作面机巷沿空留巷采空侧漏风问题,提出构筑锚注墙体防风堵漏方法,保证沿空巷道的安全留设和长期使用。

1 工作面地质概况

朱庄煤矿Ⅲ635工作面所采煤层为6煤,层位属二叠系下统山西组,煤厚1.7～3.3 m,均厚2.6 m,煤层结构简单,赋存稳定,煤层倾角5°～28°,平均13°. 工作面顶板岩性多为砂质泥岩、粉砂岩、中细粒砂岩,累计厚度为45～50 m;煤层底板为砂质泥岩,中、细粒砂岩,泥岩,累计厚度约51 m,煤层顶底板赋存条件见表1.

表1 煤层顶底板情况表

工作面煤层绝对瓦斯涌出量8.88 m3/min,属于低瓦斯矿井。煤层硬度较低,普氏系数在1.0左右;直接顶硬度普氏系数为4～5. Ⅲ635工作面走向长度532 m,倾向长度189 m,标高-513～-579 m,是矿井Ⅲ63采区东翼第3个工作面,上区段Ⅲ633工作面已开采完毕,下区段Ⅲ637工作面正在掘进。工作面平面布置关系见图1.

1—超前支护区;2—端头支护区;3—临时支护区;4—成巷稳定区图1 工作面平面布置图

Ⅲ635工作面沿空预留机巷整体状况良好,无明显变形,局部顶板较为破碎。该工作面机巷作为切顶留巷对象,计划服务于下一区段的Ⅲ637工作面回采。根据巷道围岩受力、采场矿压显现特点、巷道支护方式及挡矸、补强支护等因素,提出对工作面沿空巷道分区划分分区治理的思路。鉴于常规的留巷喷浆后期受力复破裂漏风现象,这里主要介绍沿空巷道3区和4区范围的防风堵漏设计及实施效果。

2 沿空留巷防风堵漏设计

工作面沿空巷道端头支护区、临时支护区范围内的顶板尚未稳定,沿空巷道围岩受力变形显著,以柔性堵漏设计为主;成巷稳定区的巷道顶板基本稳定,矿压显现趋于缓和,可以辅助高强度墙体堵漏。

2.1 临时支护区堵漏设计

沿空巷道临时支护区顶板尚未完全稳定,受工作面周期来压影响明显。为防止采空区顶板垮落矸石窜入巷道,有效封闭采空区,防止有害气体向留巷空间渗漏,设计了“钢筋网+铁丝网+风筒布+可伸缩U型钢”柔固耦合挡矸堵漏结构,见图2.

图2 柔固耦合挡矸堵漏结构图

工作面移架后及时支设挡矸金属网和可伸缩U型钢,挡矸支护紧跟支架顶梁,滞后距离不大于0.5 m. 金属网相互搭接组成挡矸金属网,可伸缩U型钢选用2段长2.5 m的29U型钢,通过两副卡缆连接,卡缆上下沿距U型钢搭接端头各100 mm,搭接长度不小于1 000 mm,棚间距500 mm,每排1组可伸缩U型钢,相邻可伸缩U型钢架采用拉板(10 mm厚)连接,增加整体稳定性,并对留巷帮与U型钢接触不充分部位,采用木板背帮。U型钢外缘不超过机巷顶板第1根锚杆,下扎倾角3°～5°,采用锚杆锁腿,每组锚杆使用特制穿孔钢板连接,锁住U型钢站柱,锁腿锚杆距离底板200～500 mm,下扎倾角20°～30°.

采空区冒落矸石不规则堆叠,具有膨胀特性,沿空巷道帮部具有向横向位移趋势。为防止挡矸U型钢受侧压发生侧倾,U型钢端头焊接圆钢(直径不大于30 mm),外露150～200 mm,使用时插到切缝孔端部。

单根U型钢下扎底板深度不小于100 mm,在架设前需要做柱窝,柱窝低于巷道底板300 mm. 需要说明的是,为了提高U型钢的挡矸效果,破碎顶板区域的U型钢端头焊接圆钢长度要增加到400 mm,卧底长度也相应增加。

2.2 成巷稳定区堵漏设计

成巷稳定区巷道顶板基本趋于稳定,但巷道使用维护时间长,原喷浆涂层受力易破裂漏风。据此,为保障留巷采空侧矸石墙体的密闭质量,提出一种沿空留巷顶底锚注墙体密闭方法,通过向留巷采空侧顶底板打设锚杆作为墙体固支基础,构筑高强混凝土墙体,发挥优越密闭功能,防止采空区漏风。锚注墙体构筑设计见图3.

1—沿空巷道;2—采空区矸石;3—锚注墙体;4—顶锚杆;5—底锚杆;6—U型钢站柱;7—工字钢站柱;8—钢筋网;9—风筒布;10—钢筋梯;11—扎丝图3 沿空巷道顶底锚注墙体构筑设计图

1) 顶底锚注墙体方法。沿留巷采空侧底板挖掘宽度、深度分别为0.5 m的沟槽;在沟槽中部位置对称打设2根锚杆,锚杆端部深入沟槽底部1 m,外露1 m,末端安装150 mm×150 mm×10 mm的托盘;在对应沟槽锚杆的顶板位置按照相同模式打设2根顶部锚杆;以顶底锚杆为基点,捆扎钢筋笼,外侧采用11#矿用工字钢作为主筋骨站柱、钢筋网为加强筋,内侧主筋骨站柱为挡矸U型钢;朝捆扎完毕的钢筋笼内灌注混凝土。

2) 留巷墙体柔性密闭方法。第一道风筒布铺设于挡矸支护过程中紧贴于U型钢站柱的钢筋网内侧;第二道风筒布铺设于钢筋笼工字钢站柱侧的钢筋网内侧。两道柔性风筒布保障采空区的密实封堵,并有效防止钢筋笼内浆液的溢出。

沿空巷道锚注墙体的构筑要充分接顶,墙体厚度600 mm,基础深度不小于300 mm,并预留防火观测孔。填充墙内分别距U型钢站柱200 mm、400 mm布置两道钢筋网作为墙体加强筋。充填墙浇筑完毕,在外侧墙壁固定槽钢保持墙体的稳定,槽钢排距1 200 mm,每排固定锚杆3根,间距800 mm.

朱庄矿Ⅲ635工作面采用柔固耦合及顶底板锚注墙体堵漏设计,取得了较好的防漏风效果。留巷内瓦斯监测数据显示,在正常留巷阶段瓦斯浓度保持在0.8%左右,保证了Ⅲ635工作面机巷的安全留设。