超长沿空留巷挡矸支架随采随装技术研究

刘忠平,马 亮,高 亮,曹宇翔,王守印,刘永东,孙国强

(1.陕西开拓建筑科技有限公司,陕西 西安 710054; 2.陕西开拓新矿业工程有限公司,陕西 西安 710054;3.西安绿色矿业研究院有限公司,陕西 西安 710054; 4.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司,陕西 神木 719300)

柔模沿空留巷[1-3]是在沿空留巷专用支架的防护下通过混凝土泵将高性能混凝土注入三维纺织结构柔性模板内,在采空区与巷道之间构筑一道密实接顶、快硬高强的柔模混凝土连续墙[4-6],密闭采空区,将原有巷道保留下来,作为泄水巷、卸压巷、瓦斯治理巷和相邻工作面的回采巷道[7-12],降低巷道掘进率,提高煤炭回采率,并为防治煤矿水、火、瓦斯、顶板、冲击地压等重大灾害提供时间和空间,可有效防范遏制重特大事故,全面提升煤矿安全保障能力,保证煤炭稳定供应[13-16]。

挡矸支架的主要作用是临时围护待浇筑空间[17],为浇筑柔模砼墙创造安全作业环境。对于挡矸支架,国内外研究偏少,杨俊哲等[18]开发了柔模沿空留巷专用挡矸支架,该挡矸支架为两组四排十二架结构,顶梁长度16.5 m,填补了国内外空白;张凯等[19]开发了一组三架迈步自移式综放工作面柔模沿空留巷挡矸支架,满足放顶煤沿空留巷施工要求;陈外信等[20]依托上湾煤矿3.8 m采高工作面,采用柔模沿空留巷挡矸支架围护待浇筑空间,实现了日留巷15 m。上述研究都是在工作面开切眼将挡矸支架与综采支架同时安装并同步沿空留巷,但是刀把型双工作面由于工作面回采一定距离后才开始安装挡矸支架和沿空留巷,因此挡矸支架的安装环境复杂,难度大,并且影响工作面回采。鉴于此,笔者针对刀把型双工作面沿空留巷,提出一种挡矸支架随采随装安全复位新方法,并进行现场应用。

1 工程概况

柠条塔煤矿14212工作面地质条件简单,煤层平均厚度3.9 m,采用单一倾向长壁采煤法,综合机械化一次采全高采煤工艺,自然垮落法管理采空区顶板,正常回采推进度为12～18 m/d。14212与14213工作面联合布置(见图1),14212开切眼距离14213开切眼措施巷710 m,14213开切眼措施巷距离14212回撤通道2 070 m,14212工作面回采至14213开切眼措施巷时开始留巷,留巷长度2 070 m(图1中红线标注部分),将14212运输巷保留下来作为14213回风巷。14212运输巷采用沿底留顶煤掘进,支护横断面如图2所示。

图1 14212和14213刀把型双工作面联合布置示意图

图2 14212运输巷支护横断面

2 沿空留巷主要支护参数及专用支架

2.1 沿空留巷主要支护参数[21]

紧跟14212工作面在沿空留巷端头支架和挡矸支架的安全防护下,利用工作面检修班,通过混凝土泵将高性能混凝土注入柔模内,在采空区与14212运输巷之间构筑1道柔模混凝土连续墙,将14212运输巷保留下来。沿空留巷支护横断面如图3所示。

图3 14212运输巷沿空留巷支护横断面

2.2 柔模沿空留巷专用支架[21]

在14212工作面机头安装5台柔模沿空留巷端头支架,其中2台为ZYT12000/20/40D型T1和T2躲锚支架,3台为ZZTP21600/20/40D型T3、T4和T5铺网支架。为保证留巷施工不影响回采,紧跟T4和T5支架,安装1组ZRL44500/22/40D型沿空留巷挡矸支架(见图4),可实现检修班一次性浇筑18 m柔模混凝土墙体。挡矸支架为一组两排六架,每排前中后三架的顶梁与顶梁之间、底座与底座之间通过销轴铰接,实现每排三架同步升降。挡矸支架左右两排互为支点迈步自移,与综采支架不连接。另外,挡矸支架具有走向自移、横向自移、挡矸切顶等功能,远程遥控操作,总长度20.5 m,总宽度1.776 m。在滞后工作面100 m范围内距离柔模砼墙600 mm处支设一排单元支架,单元支架间距3.0 m。沿空留巷设备平面布置如图5所示。

图4 ZRL44500/22/40D型沿空留巷挡矸支架

图5 沿空留巷设备平面布置示意图

3 挡矸支架随采随装技术

在14212工作面综采设备安装时同步安装5台柔模沿空留巷端头支架,当回采至14213开切眼措施巷附近时随采随装挡矸支架,主要程序如下:超前组装挡矸支架→架前铺网和架间打设锚索→打设戗棚及木垛→浇筑转角柔模砼墙→回采并维护挡矸支架工作空间→横向平移复位挡矸支架→支设单元支架并集中浇筑20 m柔模砼墙。

3.1 超前组装挡矸支架

对14213开切眼和开切眼措施巷之间的煤柱进行扩帮,形成挡矸支架安装硐室,硐室长20 m、宽3 m,扩帮段及其前后20 m范围内采用单体支柱临时加强支护。超前14212工作面100 m以外,提前利用支架搬运车将挡矸支架从地面分段运至安装硐室内,并组装挡矸支架,如图6所示。

图6 超前组装挡矸支架

3.2 架前铺网和架间打设锚索

当工作面推采至距离14213措施巷15 m时,在架前开始铺设柔性网,自留巷T3端头支架起横向一直延伸到工作面10#支架,铺网宽度为15 m。同时在柔性网掩护下每推采两刀煤,分别在2#与3#支架、3#与4#支架、4#与5#支架、5#与6#支架、6#与7#支架的架间打设锚索,每排5根,锚索规格为ø21.8 mm×9 000 mm,间排距为1 750 mm×1 600 mm,待挡矸支架安装复位完成后停止铺网和打设锚索,如图7所示。

图7 架前铺网和架间打设锚索

3.3 打设戗棚及木垛

3.3.1 打设单体戗棚

当工作面推采至柔性网超出2#支架架尾800 mm时,及时沿1#和2#支架架尾打设单体戗柱,每根戗柱配合方木(长×宽×高=1 200 mm×200 mm×200 mm)支护顶板,在打设好的戗棚下继续打设2根单体,替换临时戗柱,单体支撑角度75°～85°,间距800 mm,要求单体柱连锁、棚梁连锁,如图8所示。

图8 打设单体戗棚

3.3.2 打设木垛

当工作面继续向前推采两刀煤后,紧贴单体戗棚打设2个横向木垛,方木规格1 200 mm×200 mm×200 mm,第一个木垛距离副帮1 400 mm,木垛净距800 mm,木垛码放采用“井”字形布置。紧跟木垛打设单体支柱,每个木垛打设3根,单体支柱间距500 mm,如图9和图10所示。

图9 打设木垛支护断面

图10 打设木垛支护平面

3.3.3 打设扇形区单体戗棚及木垛

紧跟工作面回采,架后及时补打木垛,保证木垛距离支架尾梁不超过2 000 mm,采用扇形面形式打设单体戗棚及木垛围护隔离采空区至5#支架,如图11所示。

图11 打设扇形区单体戗棚及木垛

3.4 浇筑转角柔模砼墙

3.4.1 浇筑横向柔模砼墙隔离采空区

当工作面超过14213开切眼措施巷5 m时停止割煤,在运输巷道副帮掏槽,槽深300 mm,槽宽1 200 mm,距离14213开切眼措施巷5 m。随后沿掏槽区浇筑横向柔模砼墙,其宽度1 200 mm、长度6 000 mm,如图12所示。

图12 浇筑横向柔模砼墙隔离采空区

3.4.2 浇筑走向柔模砼墙隔离采空区

当工作面超过14213开切眼措施巷15 m时停止割煤,首先采用单体戗棚及木垛沿5#支架架后隔离采空区、维护顶板,然后浇筑走向柔模砼墙,墙宽1 200 mm、长度6 000 mm,横向与走向柔模砼墙完全隔离采空区,如图13所示。

图13 浇筑走向柔模砼墙隔离采空区

3.5 回采并围护挡矸支架工作空间

随工作面推进,继续进行架前铺网和架间打设锚索,并在5#支架后采用单体戗棚及木垛隔离采空区,木垛距离5#支架尾梁不超过1 500 mm,木垛间距800 mm,围护挡矸支架工作空间长度不少于22 m,宽度不小于9.5 m,同时采用走向“一梁四柱”抬棚临时支护留巷顶板,如图14所示。

图14 回采并围护挡矸支架工作空间

3.6 横向平移复位挡矸支架

当工作面超过14213开切眼5 m时停止割煤,开始横向平移复位挡矸支架工作。首先拆除靠近硐室的一排五架抬棚(见图15(a)),然后将靠近留巷的左排挡矸支架降架,右排挡矸支架继续支撑顶板,左右两排挡矸支架互为支点,利用拉紧和底调千斤顶将左排挡矸支架从安装硐室向留巷内整体横向平推100 mm,然后将左排挡矸支架升起并支撑顶板,右排挡矸支架降架,收回拉紧和底调千斤顶,将右排挡矸支架向左横向拉移100 mm,这样就完成挡矸支架横向平移一个步距的动作。反复上述循环,直至挡矸支架横向平移复位至正常沿空留巷的设计位置(见图15(b))。将挡矸支架移出硐室后,立即在距离硐室煤帮500 mm处打设一排木垛,木垛净距800 mm,临时加强支护硐室。

(a)拆除靠近硐室的一排五架抬棚

(b)打设硐室木垛及横向平移挡矸支架

3.7 支设单元支架并集中浇筑20 m柔模砼墙

挡矸支架横向平移复位后,首先在距离柔模砼墙500 mm位置支设一排单元支架,临时支护留巷顶板,然后集中浇筑20 m柔模砼墙至T3端头支架架尾,彻底隔离采空区,形成正常沿空留巷条件(见图16)。

图16 支设单元支架并集中浇筑20 m柔模砼墙

4 实施效果

按照上述随采随装技术方案成功将14212工作面20.5 m长挡矸支架安装复位,总计耗时4.5 d,其中挡矸支架横向平移复位仅用时6 h,集中浇筑20 m长柔模砼墙用时8 h,柔模砼墙4 h抗压强度可达5 MPa,1 d抗压强度可达20 MPa,2 d抗压强度可达30 MPa,施工速度和混凝土强度满足高产高效矿井生产要求。

在柔性网、锚索、戗棚和木垛的综合防护下,随采随装过程中未发生采空区矸石窜入作业空间的情形,人员作业安全。在转角区设置的1#测站巷道围岩变形监测数据如图17所示,10 m深基点实测最大离层量5 mm,两帮移近量20 mm,顶底板最大移近量22 mm。距离1#测站50 m处设置的2#测站巷道围岩变形监测数据如图18所示,所有变形量均比1#测站小。

图17 转角区1#测站巷道围岩变形监测数据

图18 距1#测站50 m处的2#测站巷道围岩变形监测数据

数据表明,沿空留巷支护参数和随采随装防护参数设计合理,留巷变形量小,完全满足14213工作面直接复用要求。转角区留巷效果如图19所示,正常段留巷效果如图20所示。

图19 转角区沿空留巷效果

图20 正常段沿空留巷效果

5 结束语

1)采取的“架前柔性网+架间锚索+架后戗棚和木垛”临时防护措施能够快速阻挡矸石,隔离采空区,为挡矸支架安装复位创造安全作业空间。

2)及时浇筑转角区横向和走向柔模砼墙,彻底切断采空区顶板,密闭采空区,减轻留巷压力,保证挡矸支架横向平移复位的工作空间。

3)具有横向平移功能的挡矸支架能够大幅减少安装复位工作量,缩短安装复位时间。

4)随采随装技术方案充分利用既有巷道空间将20.5 m长挡矸支架快速安装复位,转角区留巷变形量小,数据表明临时防护参数和留巷支护参数合理。

5)随采随装技术方案为刀把型双工作面超长沿空留巷挡矸支架安全快速复位提供了新方法,可加快陕北矿区和神东矿区柔模沿空留巷新技术推广应用。