第45屆等級獎?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屆等級獎?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 ?梁樹民 ?王業(yè)繁
摘 ?要：通過對N1-1502工作面實施“110工法”留巷過程中的巷道變形及錨索受力等礦壓數(shù)據(jù)進行認真監(jiān)測與詳細分析，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，為下步的支護參數(shù)設(shè)計及及頂?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技術(shù)及碎石幫擋矸支護技術(shù)，又進一步提出了切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)，又稱為“110工法”。即回采一個工作面，只需掘進一條巷道，并且無需留設(shè)區(qū)段煤柱。截止目前，“110工法”已在全國各大礦區(qū)300多個礦井成功應(yīng)用，留巷距離累計超過50萬米。
曉南礦煤類主要為長焰煤，含少量氣煤，現(xiàn)有可采儲量不足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工作面運順首次進行“110工法”工業(yè)性試驗。本文主要基于運順留巷150m時的巷道礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，對留巷內(nèi)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行分析與總結(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210 m，運順長1285m，回順長1243m，開采長度1185m，采高1.46m?！?10工法”在運順進行施工，設(shè)計留巷長度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。基本底為平均厚度19.41m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
曉南礦N1-1502工作面“110工法”的參數(shù)設(shè)計內(nèi)容主要包括預(yù)裂切縫孔參數(shù)、恒阻錨索支護、留巷區(qū)域臨時支護、碎石幫擋矸支護及防漏風(fēng)設(shè)計。
3.1 ?預(yù)裂切縫參數(shù)設(shè)計
預(yù)裂切縫鉆孔長度為3.5m，與垂直方向夾角為15?；切縫孔距煤幫200mm，沿運順走向間距為500 mm。
基于現(xiàn)場爆破試驗，以鉆孔裂隙率（不含封泥段）達到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)補強支護
巷道留設(shè)成功后，在下一工作面的開采中作為回順使用。因此，為了控制留巷的穩(wěn)定，在原支護的基礎(chǔ)上需要進行由恒阻錨索永久支護結(jié)合單體柱臨時支護的補強支護。3.2.1 ?恒阻錨索永久支護
為了確保預(yù)裂切頂過程和周期來壓期間巷道的穩(wěn)定性，在預(yù)裂切頂前采用恒阻錨索補強加固。
（1）恒阻錨索為φ21.8mm?L5200mm，恒阻器長500mm，最大允許變形量350mm，恒阻值350kN，預(yù)緊力大于等于28t。
（2）在原支護基礎(chǔ)上，恒阻錨索布置結(jié)構(gòu)為“2-1”，與原支護中的普通錨索組成“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。
工作面推進后，采用“單體柱+π梁”作為留巷內(nèi)的臨時支護。每個斷面采用“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；實體煤側(cè)架設(shè)一列，距實體煤壁1200mm。
3.3 ?碎石幫擋矸支護設(shè)計
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型鋼進行聯(lián)合擋矸支護。
3.4 ?碎石幫防漏風(fēng)設(shè)計
由于N1-1502工作面瓦斯涌出量較高，通過優(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行永久密閉。
4 礦壓監(jiān)測設(shè)計及過程
4.1 礦壓監(jiān)測設(shè)計
為了及時掌握留巷圍巖變形信息，檢驗支護結(jié)構(gòu)可靠性、設(shè)計參數(shù)及施工工藝的合理性，對支護狀況進行預(yù)測和跟蹤反饋，為參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化提供科學(xué)的依據(jù)，必須進行留巷區(qū)域礦壓監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容主要包括巷道全斷面非對稱變形表面位移監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測、恒阻大變形錨索受力及恒阻體滑移量監(jiān)測。在留巷前100m內(nèi)，每20m布置一個監(jiān)測站，共包括6個測站，監(jiān)測站內(nèi)的監(jiān)測內(nèi)容如圖2所示。
圖2 ??測站斷面的監(jiān)測內(nèi)容
4.2 礦壓監(jiān)測過程
4.2.1 ?巷道表面非對稱位移監(jiān)測
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稱特性，為準確反映巷道變形的非對稱性，并通過巷道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析圍巖是否進入穩(wěn)定狀態(tài)。采用YHU200型監(jiān)測儀與人工“十字測點法”相結(jié)合，在巷道頂?shù)装搴蛢蓭头謩e布置了3組測點，對留巷內(nèi)切縫側(cè)、巷道中部及實體煤側(cè)的頂?shù)装逡平?、頂板下沉量及底臌量進行監(jiān)測。
4.2.2 ?自動監(jiān)測系統(tǒng)
巷道頂板離層及錨索受力監(jiān)測通過自動監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行。頂板離層深基點距離頂板表面6m，淺基點距離頂板表面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)測采用YUD300型頂板離層儀均通過RS485總線與KJ27-F分站連接，單體柱受力監(jiān)測采用GPD600W礦用無線壓力傳感器，通過無線自組網(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)”，通過網(wǎng)絡(luò)將實測數(shù)據(jù)傳送至地面進行實時監(jiān)測。
5?監(jiān)測結(jié)果及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律
N1-1502工作面運順實施“110工法”留巷150m后，礦壓監(jiān)測取得了階段性的成果，現(xiàn)以監(jiān)測時間最長的測站#1為典型，分析留巷段的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。
圖3為測站#1在不同的架后距離時，巷道不同變形內(nèi)容監(jiān)測曲線，包括實體煤側(cè)、巷道中、切縫側(cè)隨時間發(fā)展的頂?shù)装逡平俊㈨敯逑鲁亮?、底臌量?/p>
圖3 測站#1巷道變形監(jiān)測曲線
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從圖3中可以看出：
（1）在工作面推進 150 m 后， #1 測站巷道實體煤側(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）巷道總變形呈非對稱特征。 架后 150 m 時， 巷道中部頂?shù)装逡平孔畲?，達到 506 mm； 其次為切縫側(cè)變形，頂?shù)装逡平窟_到 450 mm；實體煤側(cè)的變形最小，巷道總變形量為 200 mm。
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圖4為測站#1巷道切縫側(cè)、巷道中部及實體煤側(cè)的頂板下沉速率監(jiān)測曲線，結(jié)合巷道不同位置頂板下沉量監(jiān)測曲線（圖3），可以得到留巷內(nèi)該測站的頂板下沉規(guī)律：
圖4 ??測站#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為測站#1巷道切縫側(cè)、巷道中部及實體煤側(cè)的底臌速率監(jiān)測曲線，結(jié)合巷道不同位置底臌量監(jiān)測曲線（圖3），可以得到留巷內(nèi)該測站的底板運動規(guī)律：
圖5 ??測站#1巷道不同位置底臌速率監(jiān)測曲線
（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)測曲線對比圖。
圖6 測站#1巷道不同監(jiān)測內(nèi)容對比曲線
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從圖6中可以看出，在頂板緩慢下沉階段，錨索受力開始增加；達到恒阻值后，錨索出現(xiàn)滑移，此時頂板進入快速下沉階段；錨索滑移吸收頂板能量，使頂板下沉進入緩慢階段；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 切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)對礦壓影響分析
根據(jù)工作面頂板穩(wěn)定時支架工作阻力分布情況可知，
（1）沿工作面傾向長度，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%，相對未切縫側(cè)壓力降低約37%。
根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線計算，通過運回順對比，工作面留巷側(cè)工作面順槽的超前壓力降低了37%，工作面周期來壓步距減小、強度減弱，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密度，從而降低工程量及材料投入。
7 結(jié)語
根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，通過切頂卸壓，實現(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，底臌量較大的問題可以通過拉低進行處理，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切眼使用，從而降低順槽的超前壓力及工作面初次來壓的強度。
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第一作者簡介：?石振文（1966-）男，高級工程師，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。
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