王御军1 ,张学锋1 ,卢 硕2 ,杨敬轩2
(1. 晋能控股煤业集团 同煤大唐塔山煤矿有限公司, 山西 大同 037003; 2. 中国矿业大学 矿业工程学院, 江苏 徐州 221116)
摘 要 针对塔山煤矿 8305 工作面切顶留巷 5305 巷的安全支护问题,基于巷道覆岩结构分析, 确定了最危险情况下的巷道覆岩控制区,给出了“ 五梁五柱” +锚杆( 索) 补强支护方案,提出采用“ U 型钢+金属网+风筒布”的挡矸支护及密实封堵技术,取得了较好的留巷效果。
关键词 切顶卸压;深孔爆破;单体支柱;挡矸支护
为提高煤炭资源回收率,缓解煤矿采掘接替紧张 局面,工作面无煤柱开采沿空留巷技术近年来得到了 大力推广[ 1- 3] ,尤其针对中厚煤层开采,该技术条件 极为适用,取得了较好的经济社会效益[ 4- 5] . 采用的 定向爆破切顶技术保障了留巷采空区侧顶板的垮断 与充填,及时发挥了对巷道覆岩的主动支撑作用,减 小了顶板侧向悬长的附加影响,为沿空巷道的安全支 护创造了卸压条件[ 6- 8] . 以晋能控股煤业集团塔山煤 矿 8305 工作面 5305 巷的留设支护为背景,在切顶留 巷覆岩结构分析基础上,确定最危险情况下的巷道覆 岩控制区范围,给出合理的沿空巷道支护方案,提出 可行的巷旁挡矸与密实封堵技术,保障沿空巷道的安 全留设。
1 工程概况
塔山矿 2 #煤层 8305 工作面位于三盘区东翼东北 部。 东北邻近盘区边界,东南邻近 8306 工作面,西南 以三盘区大巷为界,西北至二盘区与四盘区共同盘区 边界。 盖山厚度在 462 ~ 518 m,平均 490 m. 煤层平 均厚度 3. 3 m,平均倾角 2°,结构简单,可采走向长度 1 350 m,工作面倾向长度 300 m. 煤层顶底板以砂质 岩性赋存为主,岩性坚硬,结构相对完整。 工作面顶 底板柱状图见图 1.
图 1 工作面顶底板柱状图
工作面覆岩以砂质岩性赋存为主,岩层赋存相对 完整,岩性较硬。 采取爆破切顶工艺,利用炸药的高 爆能配合聚能管的聚能定向作用,实施坚硬顶板的超 前爆破预裂,为无煤柱高效开采提供技术支持。 切顶 为煤层上覆细砂岩及粗砂岩,切顶高度 11 m.
2 切顶巷道覆岩结构及支护区确定
2. 1 切顶巷道覆岩结构
为降低临近采空区坚硬顶板悬长对沿空留设巷 道围岩产生较大附加作用力,采取深孔定向爆破切顶方法,减小巷道覆岩采空侧悬长,提高采空区空间充 填度,及时发挥采空区冒落矸石支撑能力。 沿空留设 巷道顶板爆破切顶后的覆岩结构见图 2.
图 2 爆破切顶后的巷道覆岩结构图
沿空留设巷道临近的采空区垮落带高度范围内 顶板断裂冒落填充采空区空间;垮落带高度之上岩层 活动空间受限,断裂顶板块体间相互咬合(如图 2 中 的 A-B-C 块体) ,形成砌体梁结构,具有较高的承载 性能。
2. 2 巷道覆岩支护区确定
巷道顶板断裂块体间相互咬合,形成承载主体结 构。 砌体梁结构下位岩层重量分别由工作面实体煤、 巷道支护体以及临近的采空区冒落矸石墙体支撑。 其中,工作面实体煤及采空区矸石墙体为主要承载结 构,巷道支护体是人工安全活动区的小支护结构。 出于安全设计理念,考虑巷道顶板完全失稳条件下( 顶 板沿实体煤帮断裂) 的覆岩重量( 图 3) ,据此确定最 危险情况下的巷道覆岩控制区高度 H 为:H = M / ( k- 1)= 3. 3 / 0. 3 = 11 m. 其中,M 为煤层开采厚度,k 为 采空区矸石碎胀系数,取 1. 3.
图 3 巷道顶板支护区图
3 切顶巷道覆岩支护设计
3. 1 巷道顶板支护设计
1) 单体支护设计。
根据塔山矿 8305 工作面 5305 沿空留设巷道控 顶高 度 为 11 m, 巷 道 宽 度 4. 8 m, 覆 岩 平 均 容 重 26 kN / m 3 . 考虑最不安全情况下 ( 覆岩活动影响期 间)的巷道安全支护,计算 10 m 长巷道覆岩控制区 所需 安 全 支 撑 力 约 13 730 kN. 采 用 DW40 - 250 / 110X 型柱塞悬浮式外注单体液压支柱进行支护,单 根支柱额定支撑力为 250 kN,所需单体柱总数为 55 根,据此确定的单体支柱排距为 1. 0 m,采用“五梁五 柱”支护 方 式, 根 据 巷 道 宽 度, 确 定 单 体 柱 间 距 为 0. 88 m,配合使用 0. 8 m 长的 π 型顶梁,顶梁摆放方 向垂直巷道轴向,见图 4.
图 4 沿空留巷单体支护形式及效果图
2) 锚杆(索)支护设计。
8305 工作面采取深孔爆破切顶技术实现了无煤 柱留巷开采。 5305 巷道深孔爆破切顶作业过程中, 为保持巷道顶板的稳定,采取的补强支护措施为“ 锚 索+W 型钢带、锚索+钢托板”支护方式,见图 5. 锚索 d17. 8 mm、L5 300 mm,间排距 3 000 mm×1 600 mm. 左旋无纵筋螺纹钢锚杆 d22 mm、L2 500 mm,间排距 1 000 mm×1 000 mm. W 钢带排距 1 000 mm,高强度 拱形托板 150 mm×150 mm×10 mm. 第一排补强锚索 距进向左帮 650 mm,d21. 8 mm、L7 000 mm,间排距 1 500 mm,配合 300 mm × 300 mm × 16 mm 钢托板、W 型钢带 3 300 mm×250 mm,相邻钢带两眼相互叠加不 留 缝 隙 搭 接。 第 二 排 补 强 锚 索 距 进 向 左 帮 1 500 mm,d21. 8 mm、L7 000 mm,间排距 3 000 mm, 配合 300 mm×300 mm×16 mm 钢托板。
图 5 切顶留巷过程中的补强支护图
需要指出的是,锚索补强支护将巷道直接顶岩层 直接悬吊于覆岩完整的中粒砂岩层中保证巷道顶板 表面的稳定。 采取锚索、锚杆组合支护方式充分保证 巷道低位岩层的组合受力及结构整体性。
3. 2 巷道挡矸支护设计
采空区冒落矸石自然堆积具有膨胀特性,受上覆 岩层重量影响,采空区堆积矸石压缩过程中同步产生 横向位移,导致沿空留巷的鼓帮现象。 为减小留巷墙 体的横向变形,需采取特定的挡矸支护技术。 同时, 考虑冒落矸石的不规则排列及渗流特点,亦需采取对 应的防风堵漏措施。 基于此,提出采用“ U 型钢 +金 属网+风筒布”的挡矸支护及密实封堵技术,见图 6.
图 6 留巷墙体挡矸支护及密实效果图
5305 挡矸支护采用 U29 钢支架配合使用 8 #菱形 金属网沿切缝线支设,U29 钢支架顶部 d30 mm 圆钢 穿入顶板施工爆破孔内,底部开槽深度 0. 3 m,底座 置于槽内,间距为 0. 5 m. 具体操作步骤为:
1) 工作面端头支架向前拉移,在液压支架切顶 线前,沿巷道切缝线支设挡矸 U29 钢支架,支设完毕 后回撤成巷稳定区 0. 8 m 范围内的煤柱侧四排单体 液压支柱,转运至 5305 巷超前支护区前端备用。
2) 待端头液压支架切顶线距最近已安装挡矸网 0. 3 m 时,采煤机停机闭锁,沿顶板从上向下补充 8 # 菱形金属网,及时用 14 #铅丝将菱形金属网上端与原 巷道金属 网 捆 扎 牢 固,金 属 网 边 搭 接 宽 度 为 0. 1 ~ 0. 2 m,下端金属网垂至巷道底部。 安装金属网时, 必须与切顶线后方的金属网对齐,并利用 14 #铅丝将 菱形金属网与 U29 钢支架捆绑牢固,自上而下均匀 捆绑 5 道。 金 属 网 安 装 完 成 后 及 时 沿 切 缝 线 支 设 U29 钢支架,保证新支设的 U29 钢支架与原安装的 U29 钢支架成一条直线。
3) 挡矸支护完成后,采煤机开机正常割煤,当刮 板运输机继续向前推移 2 个循环距离 1. 6 m 后,端头 支架切顶线距已安装挡矸网为 0. 3 m 时,采煤机停机 闭锁,依照上述步骤支设挡矸支护,挡矸支护步骤依 此循环。
4) 金属网配合 U29 钢挡矸支护过程中,沿空留 巷采空区侧使用风筒布配合金属网构筑人工封堵,减 少采空区漏风,降低采空区遗煤与氧气接触面积。 风 筒布在金属网外侧并滞后支架 10 ~ 20 m,利于架后采 空区瓦斯及时随风流排出。（未完待续）
乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
【联 系 人】：苏女士
【联系电话】：18075188209
乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同：
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。
下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。
便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。
钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。
螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，培新矿机的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，培新矿机不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。
其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围：
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求：
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。
5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。
6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。
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