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    晓南矿    石振文  鲁连喜  梁树民  王业繁

    摘  要:通过对N1-1502工作面实施“110工法”留巷过程中的巷道变形及锚索受力等矿压数据进行认真监测与详细分析,总结出了巷道顶板下沉、底臌及锚索受力等阶段性矿压显现规律,为下步的支护参数设计及及顶底板管理工作提供科学依据。

    关键字:薄煤层;坚硬顶板;大断面巷道;“110工法”;矿压显现规律;

    1 概述 

    何满潮院士2008年提出以切顶短臂梁理论为核心,结合双向聚能爆破技术、恒阻大变形锚索支护技术及碎石帮挡矸支护技术,又进一步提出了切顶卸压无煤柱自成巷技术,又称为“110工法”。即回采一个工作面,只需掘进一条巷道,并且无需留设区段煤柱。截止目前,“110工法”已在全国各大矿区300多个矿井成功应用,留巷距离累计超过50万米。

    晓南矿煤类主要为长焰煤,含少量气煤,现有可采储量不足2715.4t,为减少煤柱留设造成的资源损失,于2019年12月在N1-1502工作面运顺首次进行“110工法”工业性试验。本文主要基于运顺留巷150m时的巷道矿压监测数据,对留巷内的矿压显现规律进行分析与总结,为今后的下一步应用提供一定的参考。

    2 工作面概况

    晓南矿N1-1502工作面工作面长210 m,运顺长1285m,回顺长1243m,开采长度1185m,采高1.46m。“110工法”在运顺进行施工,设计留巷长度850m,留巷成功后,作为下一工作面的回顺使用,工作面示意图如图1所示。

    该工作面主采15-1层煤,煤层平均厚度1.46m。伪顶由平均厚度0.52m的泥岩粉砂岩组成。直接底为平均厚度2.68m砂质泥岩。基本底为平均厚度19.41m粉砂岩及粗砂岩。直接底与基本底之间夹有15-2及16-1两层薄煤线。

    图1   N1-1502工作面布置示意图

    3 “110工法”参数设计

    晓南矿N1-1502工作面“110工法”的参数设计内容主要包括预裂切缝孔参数、恒阻锚索支护、留巷区域临时支护、碎石帮挡矸支护及防漏风设计。

    3.1  预裂切缝参数设计

    预裂切缝钻孔长度为3.5m,与垂直方向夹角为15�;切缝孔距煤帮200mm,沿运顺走向间距为500 mm。

    基于现场爆破试验,以钻孔裂隙率(不含封泥段)达到90%为依据,装药结构为“3+2”装药。即采用两根聚能管,每根聚能管中的药卷数量分别为3卷和2卷。

    3.2  留巷内补强支护

    巷道留设成功后,在下一工作面的开采中作为回顺使用。因此,为了控制留巷的稳定,在原支护的基础上需要进行由恒阻锚索永久支护结合单体柱临时支护的补强支护。3.2.1  恒阻锚索永久支护

    为了确保预裂切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性,在预裂切顶前采用恒阻锚索补强加固。

    (1)恒阻锚索为φ21.8mm�L5200mm,恒阻器长500mm,最大允许变形量350mm,恒阻值350kN,预紧力大于等于28t。

    (2)在原支护基础上,恒阻锚索布置结构为“2-1”,与原支护中的普通锚索组成“4-4”结构;第一列恒阻大变形锚索距煤壁600mm,间距900mm,排距1800mm。

    工作面推进后,采用“单体柱+π梁”作为留巷内的临时支护。每个断面采用“一梁四柱”,即一根π梁,四根单体柱。切缝侧架设三列单体柱,间距900mm;实体煤侧架设一列,距实体煤壁1200mm。

    3.3  碎石帮挡矸支护设计

    为了防止采空区的矸石蹿入留巷区域,采用钢筋网与排距600mmU型钢进行联合挡矸支护。

    3.4  碎石帮防漏风设计

    由于N1-1502工作面瓦斯涌出量较高,通过优化通风方式,留巷后将“两入一回”调整为“一入两回”,通风方式由Y形通风变为W形通风。在此基础上,工作面推进后,首先在碎石帮喷射柔性快速密闭喷涂材料,待留巷变形稳定后,再喷射混凝土浆液进行永久密闭。

    4 矿压监测设计及过程

    4.1 矿压监测设计

    为了及时掌握留巷围岩变形信息,检验支护结构可靠性、设计参数及施工工艺的合理性,对支护状况进行预测和跟踪反馈,为参数设计及优化提供科学的依据,必须进行留巷区域矿压监测。监测内容主要包括巷道全断面非对称变形表面位移监测、顶板离层监测、恒阻大变形锚索受力及恒阻体滑移量监测。在留巷前100m内,每20m布置一个监测站,共包括6个测站,监测站内的监测内容如图2所示。


    图2   测站断面的监测内容

    4.2 矿压监测过程

    4.2.1  巷道表面非对称位移监测

    由于切顶形成了悬臂梁的结构,造成巷道表面位移变化具有明显的非对称特性,为准确反映巷道变形的非对称性,并通过巷道变形监测数据,分析围岩是否进入稳定状态。采用YHU200型监测仪与人工“十字测点法”相结合,在巷道顶底板和两帮分别布置了3组测点,对留巷内切缝侧、巷道中部及实体煤侧的顶底板移近量、顶板下沉量及底臌量进行监测。

    4.2.2  自动监测系统

    巷道顶板离层及锚索受力监测通过自动监测及数据采集系统进行。顶板离层深基点距离顶板表面6m,浅基点距离顶板表面3m。恒阻大变形锚索受力采用GMY500型锚索应力传感器及顶板离层监测采用YUD300型顶板离层仪均通过RS485总线与KJ27-F分站连接,单体柱受力监测采用GPD600W矿用无线压力传感器,通过无线自组网传输技术与KJ427-F传输分站连接,然后接入井下“以太环网”,通过网络将实测数据传送至地面进行实时监测。

    5 监测结果及矿压显现规律

    N1-1502工作面运顺实施“110工法”留巷150m后,矿压监测取得了阶段性的成果,现以监测最新版本万博app全站最长的测站#1为典型,分析留巷段的矿压显现规律。

    图3为测站#1在不同的架后距离时,巷道不同变形内容监测曲线,包括实体煤侧、巷道中、切缝侧随最新版本万博app全站发展的顶底板移近量、顶板下沉量、底臌量。

    图3 测站#1巷道变形监测曲线
     

    从图3中可以看出:

    (1)在工作面推进 150 m 后, #1 测站巷道实体煤侧总变形已经稳定, 但是切缝侧及巷道中部总变形仍未稳定。

    (2)巷道总变形呈非对称特征。 架后 150 m 时, 巷道中部顶底板移近量最大,达到 506 mm; 其次为切缝侧变形,顶底板移近量达到 450 mm;实体煤侧的变形最小,巷道总变形量为 200 mm。


     

    图4为测站#1巷道切缝侧、巷道中部及实体煤侧的顶板下沉速率监测曲线,结合巷道不同位置顶板下沉量监测曲线(图3),可以得到留巷内该测站的顶板下沉规律:

    图4   测站#1巷道不同位置顶板下沉速率曲线

    (1)第一阶段,架后 0-23 m,顶板缓慢下沉,下沉速率 3-5 mm/d。

    (2)第二阶段,架后 23-62 m,顶板快速下沉,下沉速率 5-10 mm/d。

    (3)第三阶段,架后 62-106 m,顶板缓慢下沉,下沉速率 3-5 mm/d。

    (4)第四阶段,架后 > 106 m,顶板趋于稳定,下沉速率 0-3 mm/d。

    图5为测站#1巷道切缝侧、巷道中部及实体煤侧的底臌速率监测曲线,结合巷道不同位置底臌量监测曲线(图3),可以得到留巷内该测站的底板运动规律:

    图5   测站#1巷道不同位置底臌速率监测曲线

    (1)第一阶段,架后 0-47 m,缓慢底臌,底臌速率 3-10 mm/d。

    (2)第二阶段,架后 47-80 m,快速底臌,底臌速率 10-80 mm/d。

    (3)第三阶段,架后 80-150 m,缓慢底臌,底臌速率 3-10 mm/d。

    (4)第四阶段,架后 > 150 m,底臌趋于稳定,底臌速率 0-3 mm/d。

    图6所示为测站#1巷道切缝侧顶板下沉曲线、顶板离层、锚索滑移量及锚索受力监测曲线对比图。

    图6 测站#1巷道不同监测内容对比曲线
     

    从图6中可以看出,在顶板缓慢下沉阶段,锚索受力开始增加;达到恒阻值后,锚索出现滑移,此时顶板进入快速下沉阶段;锚索滑移吸收顶板能量,使顶板下沉进入缓慢阶段;在架后 106 m,锚索受力基本稳定,顶板下沉也即趋于稳定。

    6 切顶卸压无煤柱自成巷技术对矿压影响分析

    根据工作面顶板稳定时支架工作阻力分布情况可知,

    (1)沿工作面倾向长度,压力呈明显的分区特征。

    (2)切缝侧卸压显著,其液压支架平均压力为16.16 MPa,影响范围0-20 m;工作面中部受切缝的影响,液压支架平均压力为20.45 MPa,影响范围20-100 m;工作面右侧未受切缝的影响,液压支架平均压力为25.78 MPa,范围100-210 m。

    (3)切缝侧平均压力比工作面中部区域降低约21%,相对未切缝侧压力降低约37%。

    根据矿压监测数据曲线计算,通过运回顺对比,工作面留巷侧工作面顺槽的超前压力降低了37%,工作面周期来压步距减小、强度减弱,大幅度减小顶、底板变形量,降低巷道维修量。

    根据对留巷段顶板和切缝侧巷帮数据的分析和总结,可适当增加挡矸顶子的排距,降低恒阻锚索的支护密度,从而降低工程量及材料投入。

    7 结语

    根据监测结果分析,通过切顶卸压,实现了切断“砌体梁”或者“传力岩梁”的压力传递,改变和优化了围岩压力分布规律,降低了围岩大变形、冲击地压、煤(岩)爆以及煤与瓦斯突出等地质灾害程度。留巷内巷道顶板下沉量较小,顶板稳定距离较短,恒阻大变形锚索控制效果良好,底臌量较大的问题可以通过拉低进行处理,不影响巷道使用。可以利用“110工法”切顶预裂技术,在其它采煤工作面顺槽和开切眼使用,从而降低顺槽的超前压力及工作面初次来压的强度。
     

    第一作者简介: 石振文(1966-)男,高级工程师,2015年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业,现任晓南矿矿长。

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