三交河煤矿沿空留巷矿压显现规律及门架回撤工艺研究

2024-05-13原明帅

山西焦煤科技 2024年3期

原明帅

(山西汾河焦煤股份有限公司三交河煤矿, 山西洪洞 041600)

沿空留巷技术是煤炭行业绿色开采的重要推广技术之一,对消除上隅角瓦斯积聚、缓和采掘关系、提高煤炭回收率有积极意义[1-2]. 10-207综采工作面是三交河煤矿实施沿空留巷技术的首个工作面,由于各地煤矿地质条件、工作面布置等差异较大,沿空留巷矿压监测规律和回撤工艺工序可供参考的经验相对较少。因此针对矿井10-2072巷留巷期间的支护方式、矿压显现规律进行了分析、总结,研究不同阶段的矿压规律,从而优化巷道支护方式,确定留巷段门架前移的工艺工序,实现工作面安全生产。

1 工程概况

1.1 工作面基本情况

10-207工作面走向回采长度为963 m,倾向长度为223 m,支设液压支架150架。工作面推进98.5 m后回撤机尾的3架支架,并在10-2090巷处开始留10-2072巷,留巷长度850 m. 10-207工作面布置图见图1.

图1 10-207工作面布置

相邻工作面10-209小于10-207工作面,因此在留巷前25 m的非采煤帮侧提前切顶,确保采空区及时垮落。10-207工作面推进期间,147#支架架后采空区沿副巷回采帮切缝孔垮落。

1.2 巷道支护形式

顶锚杆选用φ20 mm×2 000 mm的高强锚杆,第一排锚杆“六·六”布置,间距800 mm,第二排锚杆施工4根,即“一·三·四·六”施工锚杆,“二·五”施工锚索,排距1 200 mm,锚索采用1×7结构的φ21.6 mm×7 200 mm钢绞线;并采用1×19结构的φ21.8 mm×8 200 mm钢绞线补强支护,“三·一·三”布置,间排距1 200 mm×1 200 mm. 10-2072巷断面支护俯视图见图2.

图2 10-2072巷断面支护俯视

2 留巷段支护工艺

2.1 大断面支护段

该区域位于10-2072巷与10-2090巷交叉口,断面较大,且处于留巷初始位置,切顶爆破后采空区顶板垮落相对滞后,考虑顶板主要是砂岩,顶板来压强度相对明显,故工作面推进至此,留下两架支架支护大断面处顶板,并采用“一梁三柱”、间排距“800 mm×800 mm”补强支护在采空区侧帮部,且1#—10#门架不回撤继续支护顶板。交叉sss口大断面支护示意图见图3.

图3 交叉口大断面支护示意

2.2 正常支护段

根据巷道受采动影响的不同,将工作面影响范围划分为3区:超前支护区、临时支护区、成巷稳定区。10-2072巷采动影响分布图见图4.

图4 10-2072巷采动影响分布

1) 超前支护区。根据超前支护经验,该区段位于副巷超前20 m范围,采用单体柱配合π梁、“一梁三柱”进行支护,排距1 m,支护范围20 m.

2) 临时支护区。该区段位于工作面回采机尾,一般滞后支架切顶线200 m范围,工作面开采后,采空区上覆岩层出现折断、冒落等运动过程,距工作面较近的留巷区域,岩层运动剧烈,采用门式支架进行临时支护。在矿压作用下,可以在切顶面形成较高的剪应力,有利于封孔段岩层剪切破断,同时有效控制留巷顶板下沉。因此,在顶板原有锚杆、锚索支护条件下,采用ZLQ4600/20/38.5型门式支架作为临时支护,支设排距1 700 mm.

为了防止采空区的矸石蹿入采空区,采用可伸缩29U型钢联合金属网、风筒布联合挡矸支护。

3) 成巷稳定区。切顶后采空区逐渐压实、压力稳定,在挡矸装置影响下形成巷帮。随着工作面的推进,该区域受采动影响减小,顶板下沉量、门式支架受力变化很小,留巷区域顶板趋于稳定状态,可将门式支架有序回撤。

3 矿压规律

3.1 超前支护区

根据同类型巷道超前动压影响范围的经验,工作面推进期间,超前20 m范围会受到超前动压的影响,因此根据矿压显现规律判断现超前支护方式下的稳定状态,进而优化该范围内的支护方式。

21#顶板离层仪、测力计、位移计数据(图5)显示,超前支护段顶板无明显变化,无压力显现现象(一般过切顶线,到达留巷位置后顶板有压力显现),可对超前支护段支护方式进行优化。优化前采用“一梁三柱”的支护方式,排距1 m,支护距离20 m. 优化后采用“一梁两柱”的支护方式,排距2 m,支护距离20 m.

图5 21#测点矿压规律

18#离层仪、测力计、位移计数据(图6)显示,优化后超前支护段无明显压力显现,说明支护强度能够满足要求。根据矿压监测情况,可进一步优化为“一梁两柱”,排距4 m,支护距离20 m.

图6 18#测点矿压规律

3.2 临时支护区

随着工作面的推进,支架不断前移,支架后方的采空区出现不同程度的垮落,在矸石重新压实的平衡过程中,会出现顶板下沉、围岩破碎等压力显现特征,并向周围煤岩体进行传递。根据现场切顶效果,10-2072巷定向预裂爆破后,缩短了顶板悬臂梁的长度,削弱了采空区顶板垮落对留巷的扰动影响。10-2072巷顶板较硬,顶板的完整性较好,在留巷期间顶板会出现悬臂梁结构,207采空区侧顶板较209煤壁侧顶板下沉明显。

根据数据显示,130#门架处顶板下沉变化量最大、活动最为强烈,为进一步总结留巷段稳定范围和规律,选取130#门架活柱缩量变化情况确定留巷区域的顶板变化规律。130#门架活柱缩量变化量曲线见图7.

图7 130#门架活柱缩量变化量曲线

130#门架于2023年5月20日支设,2023年8月1日移架,支护时间73 d. 支护滞后切顶线195 m时相邻门架回撤,滞后265 m时本架回撤,顶底板移近量207采空区侧为256 mm、209煤壁侧为160 mm.

工作面推进期间,依据门架活柱缩量对照顶底板移近速率(图8),将留巷区的压力变化分为5个阶段,具体如下:

图8 130#门架活柱缩量变化速率曲线

1) 第一阶段:压力初始显现区。此阶段滞后切顶线15 m范围,采空区顶板相对完整,在自身承载能力下未能及时垮落,仍为相对稳定的砌体梁结构,但因悬顶面积较大,受后方采空区压力影响,留巷段开始出现压力显现,即为顶板压力进入初次显现阶段,门架立柱压力由15 MPa逐渐变大达到安全阀开启值38 MPa左右,顶底板移近速率1～3 mm/d,一般持续5～6 d.

2) 第二阶段:压力剧增区。此阶段滞后切顶线15～80 m,随着支架不断前移,架后的采空区顶板在自重、周期来压等作用下,由下而上逐层垮落,当直接顶垮落后能充满采空区时,基本顶可以暂时形成砌体结构,压力相对稳定;在直接顶垮落后无法充满采空区时,基本顶会断裂垮落,直至充满采空区。在垮落的碎石块由于自身的碎胀性逐渐充填采空区的过程中,形成砌体结构的顶板未受到支撑力,留巷顶板来压强度急剧增大,单位距离的顶板下沉变形量、下沉速率也明显增大,门架立柱安全阀开启,工作阻力稳定在38 MPa左右,顶底板移近速率4～15 mm/d,一般推进7～20 d.

局部段顶板垮落及时,紧跟支架,留巷段压力无初始显现区,直接进入压力剧增区。以21#门架支护区域为例(图9),工作面直接顶为砂岩,顶板垮落后有大块矸石且充填不实,且易冲击顶击挡矸装置,采用辅助挡矸装置(图10)对U型钢进行补强支护,能有效防止窜矸。

图9 21#门架活柱缩量变化速率-时间曲线

图10 辅助挡矸装置支护示意

3) 第三阶段:压力增长趋缓区。此阶段滞后切顶线80～120 m,采空区矸石充填后处于逐渐压实阶段,压实的过程中会对上方顶板产生支撑力,形成下沉顶板与采空区矸石的动态平衡状态,该阶段来压强度有所降低,传递至留巷区段后顶板下沉速率放缓,顶底板移近速率4～8 mm/d,一般推进21～33 d.

4) 第四阶段:压力稳定区。此阶段滞后切顶线120～195 m,采空区的矸石基本压实,上方顶板形成相对稳定的结构,在对上覆岩层进行有效支撑期间,顶板会产生整体弯曲下沉,同时向留巷进行压力传递,但此阶段下沉量及下沉速度均较小,顶底板移近速率0～2 mm/d,一般推进34～54 d,随后也会趋于稳定,不再变化。

5) 第五阶段:压力观测区。此阶段滞后切顶线195～265 m,在滞后195 m后门架支护区域已稳定,可进行间隔有序回撤,回撤邻架时,顶板会出现较为明显的下沉速率2～4 mm/d,2天后趋于稳定,顶底板移近速率0～2 mm/d,推进55～73 d完全稳定,回撤本架。

4 回撤工艺工序

4.1 回撤工艺

10-2072巷共支设135架门式支架,1#—10#架长期支护不回撤,需对125架门架进行回撤前移。根据矿压监测规律及回撤工艺要求,现场有序组织两次回撤。回撤工艺基本情况见表1.

表1 门式支架回撤工艺基本情况

根据两次回撤数据可知:第一循环回撤11#到89#门架区间79架,一次回撤的门架支护天数75～48 d;二次回撤的门架支护天数为92～73 d. 第二循环回撤90#到85#门架区间80架,一次回撤的门架支护天数72～46 d;二次回撤的门架支护天数为91～64 d.

因此,后期按80架一循环进行回撤,一次回撤前门架支护时间至少在60 d以上。

4.2 回撤工序

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,进入成巷稳定区,一般该区域在架后200 m,根据支护区域门架活柱缩量或顶底板移近量变化规律,可对门架进行有序回撤。根据矿压显现情况,回撤工艺分为3个区:不回撤区、回撤区、观测区,分4个阶段:门架支护阶段、一次回撤阶段、二次回撤阶段、留巷效果观测阶段。

1) 门架支护阶段(不回撤区)。根据留巷临时支护区矿压显现规律,门架不回撤区先后经历压力初始显现、压力剧增、压力增长趋缓、压力稳定阶段,在滞后切顶线195 m,压力趋于稳定后具备一次回撤条件。

2) 一次回撤阶段(回撤区)。10-2072巷留巷245 m时,门式支架支设131架。随着工作面继续推进,前部巷道顶板运动基本趋于稳定,在该区域的门式支架可以有序回撤。

根据门式支架活柱缩量变化规律(图11)可知,巷道一周内顶底板移近量基本控制在2 mm/d以内,可对已支护门式支架进行分批、有计划地回撤。

图11 单数门架活柱缩量变化速率曲线

为确保留巷段顶板支护强度,从11#门架开始(11#门架与131#门架间距195 m),采用“隔一排撤一排”的方式,先回撤11、13…单数架,待回撤区稳定后,再逐步回撤12、14…双数门架。

3) 二次回撤阶段(回撤区)。单数架回撤后,处于上述门架压力变化的第五阶段,相邻双数架活柱缩量(图12)出现2～4 mm/d的下沉量,2天后下沉速率在2 mm/d以内,一周内数据变化稳定,可对已回撤单数架的区域有序回撤双数架。

图12 双数门架活柱缩量变化速率曲线

为确保回撤双数架后留巷段的支护强度,采用支设“一梁五柱”的方式在距U型棚0.6 m的位置支设单体柱。

4) 留巷效果观测阶段(观测区)。双数门架回撤完毕后,为确保留巷效果,采用顶底板位移计观测移近量。选取11#监测点,相邻26#门架6月15日移架,截止8月14日,无门架支护的60天内207侧顶底板移近量为14.3 mm、209侧移近量为8.8 mm;18#监测点,相邻78#门架7月2日移架,截止8月31日,无门架支护的60天内207侧顶底板移近量为18.7 mm、209侧移近量为11.7 mm,并逐渐趋于稳定,留巷效果较好。11#测点顶底板移近量变化曲线图见图13.