第45屆等級(jí)獎(jiǎng)?wù)撐?--曉南礦薄煤層、大斷面“110工法”礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究
第45屆等級(jí)獎(jiǎng)?wù)撐?--曉南礦薄煤層、大斷面“110工法”礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究
曉南礦????石振文??魯連喜 ?梁樹(shù)民 ?王業(yè)繁
摘 ?要：通過(guò)對(duì)N1-1502工作面實(shí)施“110工法”留巷過(guò)程中的巷道變形及錨索受力等礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真監(jiān)測(cè)與詳細(xì)分析，總結(jié)出了巷道頂板下沉、底臌及錨索受力等階段性礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為下步的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及及頂?shù)装骞芾砉ぷ魈峁┛茖W(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵字：薄煤層；堅(jiān)硬頂板；大斷面巷道；“110工法”；礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；
1?概述?
何滿潮院士2008年提出以切頂短臂梁理論為核心，結(jié)合雙向聚能爆破技術(shù)、恒阻大變形錨索支護(hù)技術(shù)及碎石幫擋矸支護(hù)技術(shù)，又進(jìn)一步提出了切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷技術(shù)，又稱為“110工法”。即回采一個(gè)工作面，只需掘進(jìn)一條巷道，并且無(wú)需留設(shè)區(qū)段煤柱。截止目前，“110工法”已在全國(guó)各大礦區(qū)300多個(gè)礦井成功應(yīng)用，留巷距離累計(jì)超過(guò)50萬(wàn)米。
曉南礦煤類主要為長(zhǎng)焰煤，含少量氣煤，現(xiàn)有可采儲(chǔ)量不足2715.4t,為減少煤柱留設(shè)造成的資源損失，于2019年12月在N1-1502工作面運(yùn)順首次進(jìn)行“110工法”工業(yè)性試驗(yàn)。本文主要基于運(yùn)順留巷150m時(shí)的巷道礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)留巷內(nèi)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析與總結(jié)，為今后的下一步應(yīng)用提供一定的參考。
2?工作面概況
曉南礦N1-1502工作面工作面長(zhǎng)210 m，運(yùn)順長(zhǎng)1285m，回順長(zhǎng)1243m，開(kāi)采長(zhǎng)度1185m，采高1.46m。“110工法”在運(yùn)順進(jìn)行施工，設(shè)計(jì)留巷長(zhǎng)度850m，留巷成功后，作為下一工作面的回順使用，工作面示意圖如圖1所示。
該工作面主采15-1層煤，煤層平均厚度1.46m。偽頂由平均厚度0.52m的泥巖粉砂巖組成。直接底為平均厚度2.68m砂質(zhì)泥巖?；镜诪槠骄穸?9.41m粉砂巖及粗砂巖。直接底與基本底之間夾有15-2及16-1兩層薄煤線。
圖1 ??N1-1502工作面布置示意圖
3?“110工法”參數(shù)設(shè)計(jì)
曉南礦N1-1502工作面“110工法”的參數(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括預(yù)裂切縫孔參數(shù)、恒阻錨索支護(hù)、留巷區(qū)域臨時(shí)支護(hù)、碎石幫擋矸支護(hù)及防漏風(fēng)設(shè)計(jì)。
3.1 ?預(yù)裂切縫參數(shù)設(shè)計(jì)
預(yù)裂切縫鉆孔長(zhǎng)度為3.5m，與垂直方向夾角為15?；切縫孔距煤幫200mm，沿運(yùn)順走向間距為500 mm。
基于現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，以鉆孔裂隙率（不含封泥段）達(dá)到90%為依據(jù)，裝藥結(jié)構(gòu)為“3+2”裝藥。即采用兩根聚能管，每根聚能管中的藥卷數(shù)量分別為3卷和2卷。
3.2 ?留巷內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)
巷道留設(shè)成功后，在下一工作面的開(kāi)采中作為回順使用。因此，為了控制留巷的穩(wěn)定，在原支護(hù)的基礎(chǔ)上需要進(jìn)行由恒阻錨索永久支護(hù)結(jié)合單體柱臨時(shí)支護(hù)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。3.2.1 ?恒阻錨索永久支護(hù)
為了確保預(yù)裂切頂過(guò)程和周期來(lái)壓期間巷道的穩(wěn)定性，在預(yù)裂切頂前采用恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。
（1）恒阻錨索為φ21.8mm?L5200mm，恒阻器長(zhǎng)500mm，最大允許變形量350mm，恒阻值350kN，預(yù)緊力大于等于28t。
（2）在原支護(hù)基礎(chǔ)上，恒阻錨索布置結(jié)構(gòu)為“2-1”，與原支護(hù)中的普通錨索組成“4-4”結(jié)構(gòu)；第一列恒阻大變形錨索距煤壁600mm，間距900mm，排距1800mm。
工作面推進(jìn)后，采用“單體柱+π梁”作為留巷內(nèi)的臨時(shí)支護(hù)。每個(gè)斷面采用“一梁四柱”，即一根π梁，四根單體柱。切縫側(cè)架設(shè)三列單體柱，間距900mm；實(shí)體煤側(cè)架設(shè)一列，距實(shí)體煤壁1200mm。
3.3 ?碎石幫擋矸支護(hù)設(shè)計(jì)
為了防止采空區(qū)的矸石躥入留巷區(qū)域，采用鋼筋網(wǎng)與排距600mmU型鋼進(jìn)行聯(lián)合擋矸支護(hù)。
3.4 ?碎石幫防漏風(fēng)設(shè)計(jì)
由于N1-1502工作面瓦斯涌出量較高，通過(guò)優(yōu)化通風(fēng)方式，留巷后將“兩入一回”調(diào)整為“一入兩回”，通風(fēng)方式由Y形通風(fēng)變?yōu)閃形通風(fēng)。在此基礎(chǔ)上，工作面推進(jìn)后，首先在碎石幫噴射柔性快速密閉噴涂材料，待留巷變形穩(wěn)定后，再噴射混凝土漿液進(jìn)行永久密閉。
4 礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)及過(guò)程
4.1 礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)
為了及時(shí)掌握留巷圍巖變形信息，檢驗(yàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性、設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝的合理性，對(duì)支護(hù)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)和跟蹤反饋，為參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供科學(xué)的依據(jù)，必須進(jìn)行留巷區(qū)域礦壓監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括巷道全斷面非對(duì)稱變形表面位移監(jiān)測(cè)、頂板離層監(jiān)測(cè)、恒阻大變形錨索受力及恒阻體滑移量監(jiān)測(cè)。在留巷前100m內(nèi)，每20m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)站，共包括6個(gè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站內(nèi)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容如圖2所示。
圖2 ??測(cè)站斷面的監(jiān)測(cè)內(nèi)容
4.2 礦壓監(jiān)測(cè)過(guò)程
4.2.1 ?巷道表面非對(duì)稱位移監(jiān)測(cè)
由于切頂形成了懸臂梁的結(jié)構(gòu)，造成巷道表面位移變化具有明顯的非對(duì)稱特性，為準(zhǔn)確反映巷道變形的非對(duì)稱性，并通過(guò)巷道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析圍巖是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。采用YHU200型監(jiān)測(cè)儀與人工“十字測(cè)點(diǎn)法”相結(jié)合，在巷道頂?shù)装搴蛢蓭头謩e布置了3組測(cè)點(diǎn)，對(duì)留巷內(nèi)切縫側(cè)、巷道中部及實(shí)體煤側(cè)的頂?shù)装逡平?、頂板下沉量及底臌量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
4.2.2 ?自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
巷道頂板離層及錨索受力監(jiān)測(cè)通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行。頂板離層深基點(diǎn)距離頂板表面6m，淺基點(diǎn)距離頂板表面3m。恒阻大變形錨索受力采用GMY500型錨索應(yīng)力傳感器及頂板離層監(jiān)測(cè)采用YUD300型頂板離層儀均通過(guò)RS485總線與KJ27-F分站連接，單體柱受力監(jiān)測(cè)采用GPD600W礦用無(wú)線壓力傳感器，通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)傳輸技術(shù)與KJ427-F傳輸分站連接，然后接入井下“以太環(huán)網(wǎng)”，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至地面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
5?監(jiān)測(cè)結(jié)果及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律
N1-1502工作面運(yùn)順實(shí)施“110工法”留巷150m后，礦壓監(jiān)測(cè)取得了階段性的成果，現(xiàn)以監(jiān)測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)的測(cè)站#1為典型，分析留巷段的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。
圖3為測(cè)站#1在不同的架后距離時(shí)，巷道不同變形內(nèi)容監(jiān)測(cè)曲線，包括實(shí)體煤側(cè)、巷道中、切縫側(cè)隨時(shí)間發(fā)展的頂?shù)装逡平?、頂板下沉量、底臌量?/p>
圖3 測(cè)站#1巷道變形監(jiān)測(cè)曲線
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從圖3中可以看出：
（1）在工作面推進(jìn) 150 m 后， #1 測(cè)站巷道實(shí)體煤側(cè)總變形已經(jīng)穩(wěn)定， 但是切縫側(cè)及巷道中部總變形仍未穩(wěn)定。
（2）巷道總變形呈非對(duì)稱特征。 架后 150 m 時(shí)， 巷道中部頂?shù)装逡平孔畲?，達(dá)到 506 mm； 其次為切縫側(cè)變形，頂?shù)装逡平窟_(dá)到 450 mm；實(shí)體煤側(cè)的變形最小，巷道總變形量為 200 mm。
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圖4為測(cè)站#1巷道切縫側(cè)、巷道中部及實(shí)體煤側(cè)的頂板下沉速率監(jiān)測(cè)曲線，結(jié)合巷道不同位置頂板下沉量監(jiān)測(cè)曲線（圖3），可以得到留巷內(nèi)該測(cè)站的頂板下沉規(guī)律：
圖4 ??測(cè)站#1巷道不同位置頂板下沉速率曲線
（1）第一階段，架后 0-23 m，頂板緩慢下沉，下沉速率 3-5 mm/d。
（2）第二階段，架后 23-62 m，頂板快速下沉，下沉速率 5-10 mm/d。
（3）第三階段，架后 62-106 m，頂板緩慢下沉，下沉速率 3-5 mm/d。
（4）第四階段，架后 > 106 m，頂板趨于穩(wěn)定，下沉速率 0-3 mm/d。
圖5為測(cè)站#1巷道切縫側(cè)、巷道中部及實(shí)體煤側(cè)的底臌速率監(jiān)測(cè)曲線，結(jié)合巷道不同位置底臌量監(jiān)測(cè)曲線（圖3），可以得到留巷內(nèi)該測(cè)站的底板運(yùn)動(dòng)規(guī)律：
圖5 ??測(cè)站#1巷道不同位置底臌速率監(jiān)測(cè)曲線
（1）第一階段，架后 0-47 m，緩慢底臌，底臌速率 3-10 mm/d。
（2）第二階段，架后 47-80 m，快速底臌，底臌速率 10-80 mm/d。
（3）第三階段，架后 80-150 m，緩慢底臌，底臌速率 3-10 mm/d。
（4）第四階段，架后 > 150 m，底臌趨于穩(wěn)定，底臌速率 0-3 mm/d。
圖6所示為測(cè)站#1巷道切縫側(cè)頂板下沉曲線、頂板離層、錨索滑移量及錨索受力監(jiān)測(cè)曲線對(duì)比圖。
圖6 測(cè)站#1巷道不同監(jiān)測(cè)內(nèi)容對(duì)比曲線
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從圖6中可以看出，在頂板緩慢下沉階段，錨索受力開(kāi)始增加；達(dá)到恒阻值后，錨索出現(xiàn)滑移，此時(shí)頂板進(jìn)入快速下沉階段；錨索滑移吸收頂板能量，使頂板下沉進(jìn)入緩慢階段；在架后 106 m，錨索受力基本穩(wěn)定，頂板下沉也即趨于穩(wěn)定。
6 切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷技術(shù)對(duì)礦壓影響分析
根據(jù)工作面頂板穩(wěn)定時(shí)支架工作阻力分布情況可知，
（1）沿工作面傾向長(zhǎng)度，壓力呈明顯的分區(qū)特征。
（2）切縫側(cè)卸壓顯著，其液壓支架平均壓力為16.16 MPa，影響范圍0-20 m；工作面中部受切縫的影響，液壓支架平均壓力為20.45 MPa，影響范圍20-100 m；工作面右側(cè)未受切縫的影響，液壓支架平均壓力為25.78 MPa，范圍100-210 m。
（3）切縫側(cè)平均壓力比工作面中部區(qū)域降低約21%，相對(duì)未切縫側(cè)壓力降低約37%。
根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線計(jì)算，通過(guò)運(yùn)回順對(duì)比，工作面留巷側(cè)工作面順槽的超前壓力降低了37%，工作面周期來(lái)壓步距減小、強(qiáng)度減弱，大幅度減小頂、底板變形量，降低巷道維修量。
根據(jù)對(duì)留巷段頂板和切縫側(cè)巷幫數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，可適當(dāng)增加擋矸頂子的排距，降低恒阻錨索的支護(hù)密度，從而降低工程量及材料投入。
7 結(jié)語(yǔ)
根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，通過(guò)切頂卸壓，實(shí)現(xiàn)了切斷“砌體梁”或者“傳力巖梁”的壓力傳遞，改變和優(yōu)化了圍巖壓力分布規(guī)律，降低了圍巖大變形、沖擊地壓、煤(巖)爆以及煤與瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害程度。留巷內(nèi)巷道頂板下沉量較小，頂板穩(wěn)定距離較短，恒阻大變形錨索控制效果良好，底臌量較大的問(wèn)題可以通過(guò)拉低進(jìn)行處理，不影響巷道使用?？梢岳谩?10工法”切頂預(yù)裂技術(shù)，在其它采煤工作面順槽和開(kāi)切眼使用，從而降低順槽的超前壓力及工作面初次來(lái)壓的強(qiáng)度。
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第一作者簡(jiǎn)介：?石振文（1966-）男，高級(jí)工程師，2015年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)任曉南礦礦長(zhǎng)。
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