朱庄煤矿Ⅲ635工作面机巷沿空留巷补强支护分析

张家委,卢 硕,杨敬轩

(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位于安徽省淮北市杜集区矿山集镇境内,现核定生产能力220万吨/年。矿井Ⅲ635工作面开采6煤,上覆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煤开采接替紧张。通过调研分析,决定在Ⅲ635工作面回采过程中实施沿空留巷作业,降低工作面回采巷道掘进工程量,提高煤炭资源回收率,解决矿井紧张接替问题。但是,工作面沿空留巷作业过程中,留巷一侧紧邻采空区,受采空侧覆岩运移矿压作用,沿空巷道不同区段受动压影响程度不尽相同[1-4]。一般情况下,回采巷道的超前支护段受双向应力叠加影响,矿山压力显现比较明显。沿空巷道临时支护区采空侧顶板运移尚未完全稳定,巷道围岩变形量通常比较大[5-8]。据此,围绕朱庄煤矿Ⅲ635工作面机巷沿空留巷工程背景,为了保证工作面沿空巷道的成功留设,受工作面采动影响,需要在巷道原有支护强度基础上进一步实施补强支护措施,保持留巷围岩的稳定性以供长期使用。

1 工作面地质概况

朱庄煤矿Ⅲ635工作面所采煤层为6煤,层位属于二叠系下统山西组,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45～50 m,煤层底板为砂质泥岩、中细粒砂岩、泥岩,累计厚度51 m.煤层顶底板赋存条件如表1所示。

工作面煤层硬度较低,普氏系数约为1.0,直接顶硬度普氏系数为4～5.Ⅲ635工作面为Ⅲ63采区东翼第3个工作面,走向长度532 m,倾向长度189 m,标高-513～-579 m,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如图1所示。

表1 煤层顶底板情况

1—超前支护区;2—端头支护区;3—临时支护区;4—成巷稳定区

Ⅲ635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。

朱庄煤矿首次开展沿空留巷作业,无类似条件巷道顶板矿压实测数据,参考相邻III633工作面矿压数据(见表2)预估本工作面矿压显现,为沿空巷道支护设计提供参考。

表2 Ⅲ633工作面矿压数据

根据III633工作面的矿压观测数据以及矿压理论中给出的采空区顶板稳定时空关系,将III635工作面前方0～30 m划分为超前支护区,工作面后方0～100 m划分为临时支护区,工作面后方100 m之外范围划分为成巷稳定区。

2 沿空巷道补强支护

爆破切顶沿空留巷作业是一项多工序协调工艺过程,如图2所示。

图2 切顶留巷工艺流程

根据工作面开采中的覆岩运移及巷道矿压显现特征,切顶留巷补强支护区主要集中在巷道的超前支护区和留巷临时支护区。

2.1 超前支护区的补强支护

工作面超前支护区是工作面开采中的常态化重点支护区域,该区段范围的巷道围岩受采场双向应力叠加影响,矿压显现强度普遍偏高。切顶留巷条件下,通常采用锚索/恒阻锚索进行加强支护,顶板不完整条件下还需要补打单体支柱。同理,针对朱庄煤矿III635工作面机巷的沿空留巷作业,同样需要进行超前加强支护工作。为了保证切顶留巷过程中顶板的稳定,采取的补强支护措施为“锚索+W型钢带、锚索+钢托板”如图3所示。

图3 巷道超前支护区加强支护(单位:mm)

2.2 临时支护区的补强支护

沿空巷道临时支护区采空侧顶板活动尚未完全稳定,对应的覆岩结构如图4所示。

图4 临时支护区顶板支护范围

沿空巷道临时支护区顶板有效支护范围为图中棕色线条标识,对应的支护高度与采空区顶板冒落带高度一致。据此,计算顶板失稳条件下的巷道支护强度。根据采高及上覆岩层碎胀系数计算采空区冒落高度:

(1)

式中:H为冒落带高度,m;M为采高,最大采高取3.3 m;k为上覆岩层碎胀系数,取1.2.

根据采空区冒落带高度,计算临时支护区巷道支护强度:

P=Hγcosα

(2)

式中:P为巷道支护强度,kN/m2;γ为顶板岩石容重,取25 kN/m3;α为工作面煤层倾角,取5°～28°.

联立式(1)和式(2),得到III635工作面机巷临时支护区支护强度为424 kN/m2.考虑顶板完全失稳条件,计算10 m长巷道覆岩控制区所需支撑力为19 504 kN.朱庄煤矿使用的ZQ2400/19/40液压垛式支架工作阻力为2 400 kN/架,需液压支架9架,巷道两侧各安置1架垛式支架,支架排距为2.5 m,对应的补强支护断面如图5所示。

图5 临时支护区补强支护(单位:mm)

朱庄煤矿Ⅲ635工作面机巷临时支护区局部顶板破碎,为保障巷道的成功留设,采取了顶板锚索补强支护措施。采用直径21.8 mm、长度10.3 m的恒阻锚索沿巷道走向布置4列,如图6所示。

图6 临时支护区破碎顶板支护(单位:mm)

2.3 支护强度验算

沿空留巷条件下,机巷超前爆破切顶,对于工作面采动应力的阻隔起到重要作用。结合Ⅲ635工作面切顶留巷工程实践,得到的巷道超前切顶覆岩结构如图7所示。

图7 爆破切顶下的覆岩结构

工作面机巷超前支护段顶板由于切顶线的阻隔作用,来源于工作面侧向顶板的应力传载相对较小,考虑来自工作面走向的应力集中影响,留巷支护阻力主要来源于顶板自身载荷及顶板走向断裂附加载荷。根据锚杆悬吊理论,合理的锚杆支护强度应包含悬吊顶板重量及采动应力。

1) 切顶后的机巷悬吊重量。朱庄煤矿Ⅲ635工作面机巷切顶高度为16.5 m,考虑切顶高度范围内顶板全层失稳状况,得到巷道顶板的延米悬吊重量为:

F1=ρghab=2.6×10×16.5×4.8×1=2 059.2(kN)

(3)

式中:F1为巷道延米悬吊重量,kN;ρ为顶板平均密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;h为切顶高度,m;a为巷道宽度,m;b为单位巷道长度,m.

2) 顶板走向断裂影响。考虑工作面采动影响,巷道顶板走向断裂存在应力附加影响。根据工作面采动影响,确定顶板扰动载荷为:

F2=λF1=(1～2)×2 059.2=2 059.2～4 118.4(kN)

(4)

式中:F2为顶板断裂扰动载荷,kN;λ为工作面采动影响系数。

工作面回采前需在巷道超前段进行补强支护。根据恒阻锚索布置方式,计算巷道顶板的延米支护阻力为:

F3=nT/d=6×420/1.6=1 575(kN)

(5)

式中:F3为锚索延米补强支护力,kN;n为补强锚索根数;d锚索支护长度,m.

考虑采动影响及时间效应,锚杆支护阻力按照150 kN/根计算,锚索支护阻力按照350 kN/根计算,原支护方式下的巷道延米支护阻力为:

F4=nT1/d1+n2T2/d2=6×150/0.8+2×350/0.8

=2 000(kN)

(6)

式中:F4为原支护方式下的延米支护阻力,kN;n1为锚杆根数;T1为单根锚杆支护力,kN;d1为单根锚杆有效支护长度,m;n2为锚索根数;T2为单根锚索支护力,kN;d2为单根锚索有效支护长度,m.

补强支护条件下,采取了垛式支架超前支护方式,每台支架支护阻力为2 400 kN,延米支护强度为:

F5=T3/d3=2 400/3=800(kN)

(7)

式中:F5为垛式支架延米支护阻力,kN;T3为单架支护力,kN;d3为单架支护长度,m.

综上分析,得到原支护以及补强支护条件下的巷道延米支护阻力为:

F=F3+F4+F5=2 400/3=4 375(kN)

(8)

式中:F为巷道超前段支护阻力,kN.

为了保障切顶作业过程中顶板的稳定,Ⅲ635工作面机巷超前支护段内靠近实体煤侧还保留了一排单体支柱。考虑工作面采动影响,由式(4)和式(8)可以看出,补强支护条件下的巷道延米支护阻力大于顶板失稳条件下的支护需求。

2.4 沿空巷道支护效果

巷道围岩变形量大小是沿空巷道留巷效果的最直观体现,包括巷道顶底板及两帮相对移近量。据此,自工作面收作线到切眼煤壁位置,每间隔20 m设置1组围岩变形观测点,每周观测1次。采用十字交叉布点的方式观测分析巷道围岩变形,得到的2022年3月份巷道围岩变形数据,如图8所示。

图8 2022年3月份巷道围岩变形观测结果

工作面3月份生产期间,沿空巷道内可用于围岩变形观测的测点有9个,监测分析结果显示,对应工作面推进117 m,工作面周期来压期间,滞后工作面煤壁15～75 m范围,沿空巷道围岩变形显著增大,正帮变形量最大为255 mm,副帮无明显变形。

同理,得到工作面2022年6月份开采期间的巷道围岩变形数据如图9所示。

图9 2022年6月份巷道围岩变形观测结果

整个6月份期间,工作面推进缓慢,对应的测点数量增加到了20个。顶底板相对移近量达到685 mm,两帮移近量达到了625 mm.可见,缓慢的工作面推进度将不利于巷道围岩支护,增加了巷道维护难度,需要适当调整该区段范围内的垛式支架间距。

综上,通过在Ⅲ635工作面机巷超前支护区和临时支护区内开展补强支护作业,保障了沿空巷道的成功留设。沿空巷道围岩变形观测结果表明,留巷段平均底鼓量380 mm,顶板下沉平均位移量80 mm;留巷正帮平均位移量320 mm、副帮平均位移量30 mm,巷道围岩变形有限,保证了沿空巷道的正常使用。

3 结 语

1) 根据邻近已采工作面的矿压显现特点,对朱庄煤矿Ⅲ635工作面机巷沿空巷道进行了分区划分,确定开展留巷超前支护区和临时支护区的补强支护设计。

2) 计算分析了留巷超前支护区和临时支护区的补强支护强度,通过采取“垛式支架+单体支柱+恒阻锚索”的组合支护形式,满足了巷道支护要求,巷道围岩变形有限,确保了沿空巷道的成功留设。