沿空大斷面切眼煤柱留設(shè)與圍巖控制技術(shù)

謝紹穎,劉 棟

(1.安徽恒源煤電股份有限公司恒源煤礦,安徽淮北 235162;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

沿空大斷面切眼煤柱留設(shè)與圍巖控制技術(shù)

謝紹穎1,劉 棟2

(1.安徽恒源煤電股份有限公司恒源煤礦,安徽淮北 235162;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

通過分析沿空掘巷時(shí)上覆巖層大結(jié)構(gòu)的狀態(tài),說明了在沿空掘巷條件下維持巷道穩(wěn)定的可能性及對小結(jié)構(gòu)及時(shí)支護(hù)的必要性。對沿空掘巷時(shí)煤柱的留設(shè)問題進(jìn)行了分析和計(jì)算?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明,通過合理地留設(shè)煤柱和對巷道圍巖及時(shí)支護(hù)可有效保持巷道的穩(wěn)定性,取得了良好的效果。

大斷面;切眼;沿空掘巷;煤柱留設(shè);圍巖控制

恒源煤電公司Ⅱ6119工作面切眼位于相鄰區(qū)段采空區(qū)附近,且巷道上覆巖層直接頂為復(fù)合頂,易發(fā)生離層,巷道不易維護(hù)。此外,由于該切眼斷面較大,故采用二次成巷施工方式。研究表明,采用二次成巷施工方式時(shí),巷道周圍出現(xiàn)較多拉張屈服區(qū),此時(shí)塑性范圍較大[1],且擴(kuò)寬施工時(shí)會(huì)對圍巖產(chǎn)生擾動(dòng),進(jìn)一步加大巷道維護(hù)難度。

1 工程概況

Ⅱ6119工作面位于Ⅱ61采區(qū)的西部邊緣,風(fēng)巷沿保護(hù)煤柱線布置,工作面西部為恒源公司與河南新莊煤礦礦井邊界,南部為 2006年回采結(jié)束的6516綜采工作面,其東部為尚未布置采掘工程的Ⅱ6119工作面,北部為二水平南大巷和即將布置采掘工程的 3部膠帶機(jī)巷及 4號聯(lián)巷。

工作面?zhèn)雾敳话l(fā)育,直接頂自下而上分別為泥巖、細(xì)砂巖,總厚 2.71～7.13m,平均 5.27m。泥巖厚 1.53～4.18m,平均為 3.20m。在煤層上 0.5～1.0m的泥巖中,發(fā)育一層或數(shù)層煤線,直接頂為復(fù)合頂板,極易發(fā)生離層,煤層綜合柱狀如圖 1。

為開采Ⅱ6119工作面需沿 6516綜采工作面采空區(qū)附近開切眼,采用導(dǎo)硐法施工,首次掘進(jìn)寬為3.4m,高幫高度不低于 2.6m,低幫高度為 2.2m,全長掘通后再擴(kuò)寬到設(shè)計(jì)尺寸。

圖1 煤層綜合柱狀

2 巷道控制原則及煤柱的確定

2.1 沿空巷道圍巖控制原則

巷道上覆巖層大結(jié)構(gòu)對巷道穩(wěn)定性具有重要影響。研究表明,在沿空掘進(jìn)過程中上覆巖層大結(jié)構(gòu)雖不可避免發(fā)生一定程度的下沉和破壞,但其整體仍然保持原有的穩(wěn)定狀態(tài),巷道外部力學(xué)環(huán)境并沒有發(fā)生大的變化[2],故沿空巷道是能夠通過一定的支護(hù)措施而保持穩(wěn)定狀態(tài)的。

但是巷道的開掘使圍巖原有三向應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞,圍巖強(qiáng)度下降,承載性能弱化;此外,導(dǎo)硐施工完成后需對其進(jìn)行擴(kuò)寬,在擴(kuò)寬過程中,巷道圍巖受到擾動(dòng)影響,此時(shí)若不及時(shí)進(jìn)行支護(hù),則淺部圍巖將會(huì)因受到擾動(dòng)影響而破壞并逐漸擴(kuò)展至深部圍巖,因此,沿空掘巷時(shí)需要對圍巖進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。

為增強(qiáng)淺部圍巖力學(xué)性能,需對圍巖進(jìn)行錨桿加固,通過其軸向作用和徑向作用,一方面可以控制圍巖的變形和錯(cuò)動(dòng),另一方面可以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),提高圍巖強(qiáng)度,增強(qiáng)其抵抗變形的能力。在此基礎(chǔ)上,采用錨索加固措施將強(qiáng)化后的圍巖懸吊于上部穩(wěn)定巖層中。從而使巷道在大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下,小結(jié)構(gòu)的承載性能也得以發(fā)揮,保證了掘出巷道的穩(wěn)定性。

2.2 掘巷位置選擇

初始掘巷位置的選擇關(guān)系到其所在位置上覆圍巖大結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài),從而進(jìn)一步關(guān)系到維護(hù)所掘巷道的難易程度,合理的開切眼位置應(yīng)使掘出的巷道處于低應(yīng)力、較穩(wěn)定的上覆巖層大結(jié)構(gòu)之下。由于沿空掘巷時(shí)從采空區(qū)到煤體深部支承壓力先升后降,故合理的巷道位置應(yīng)當(dāng)避開高應(yīng)力區(qū)以減輕支承壓力集中區(qū)的影響。在存在內(nèi)應(yīng)力條件下,可供選擇的掘巷位置有 3種,如圖 2所示。由于位置 2位于支承壓力集中區(qū)下,故在位置 2掘出的巷道最不易維護(hù);在位置 1和 3處掘進(jìn)巷道均較易維護(hù),但在位置 3掘進(jìn)巷道需留設(shè)較大煤柱,不利于提高采出率,因此,位置 1為最佳掘進(jìn)位置[3-4]。

2.3 切眼沿空煤柱寬度確定

初始掘巷位置選擇僅是對沿空巷道大致位置的判斷,其具體位置取決于所留設(shè)煤柱的寬度。由于錨桿支護(hù)時(shí)巷道圍巖的狀態(tài)與性質(zhì)對錨固效果具有一定的影響,考慮到沿空掘巷時(shí)靠近采空側(cè)的煤體存在一定范圍的破壞區(qū),因此,為保證錨桿支護(hù)效果,合理的煤柱寬度應(yīng)能使錨桿位于破碎區(qū)之外。

根據(jù)極限平衡理論,合理的最窄煤柱寬度 B如圖3所示。

圖3 煤柱寬度計(jì)算

計(jì)算公式為:

式中,x1為因上區(qū)段工作面開采而在下區(qū)段沿空掘巷窄煤柱中產(chǎn)生的破碎區(qū),其寬度按下式計(jì)算:

式中,m為煤層采厚,取 2.7m;A為側(cè)壓系數(shù),A =μ/(1-μ),μ為泊松比,取μ=0.3;φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角,取 27°;C0為煤層界面的黏聚力,取 2.5MPa;k為應(yīng)力集中系數(shù),取 1.5;γ為巖層平均密度,取值為 2.5t/m3;H為巷道埋深,取 600m;Px為對煤幫的支護(hù)阻力,因上區(qū)段巷道采用錨桿支護(hù),可取 Px=0.1MPa。

x2為窄煤柱一幫錨桿有效長度,暫取錨桿長度為 2.0m。x3為考慮煤層厚度而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù),按 0.2(x1+x2)計(jì)算。

通過理論計(jì)算,并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)條件,最終確定Ⅱ6119工作面切眼處煤柱寬度B=4m。

3 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),在地質(zhì)力學(xué)評估和圍巖分類的基礎(chǔ)上確定巷道支護(hù)參數(shù)。

3.1 頂板支護(hù)

基本支護(hù) 導(dǎo)硐期間頂板每排布置 5根<20mm×M22×2400mm高性能錨桿,擴(kuò)寬后在擴(kuò)寬側(cè)頂板布置 4根 <20mm×M22×2400mm高性能錨桿。采用樹脂藥卷加長錨固,預(yù)緊扭矩應(yīng)達(dá)到200N·m以上,均與頂板垂直。

加強(qiáng)支護(hù) 導(dǎo)硐期間頂板中每隔 3排錨桿布置1排 <17.8mm×6800mm錨索 (排距為 2.4m),擴(kuò)寬后在擴(kuò)寬側(cè)頂板再布置 2根相同規(guī)格錨索,每排4根,錨索距煤幫均為 1m。采用樹脂藥卷加長錨固,錨索垂直頂板布置,鋼鉸線外露長度為 150～250mm,錨索張拉力在 120kN左右。

3.2 煤幫支護(hù)

巷道窄煤柱幫采用 4根 <20mm×2000mm高性能錨桿,間距為 800mm,上下兩條錨桿分別距頂、底 300mm,呈 30°角分布。實(shí)體煤幫導(dǎo)硐期間布置3根 <20mm ×2000mm玻璃鋼錨桿,間距為900mm,擴(kuò)寬后間距改為 800mm。采用樹脂藥卷加長錨固,錨桿預(yù)緊扭矩應(yīng)達(dá)到 100N·m。

具體支護(hù)布置如圖 4所示。

圖 4 Ⅱ6119工作面支護(hù)方案設(shè)計(jì)

4 效果分析

為了檢驗(yàn)控制方案的效果,對切眼掘出后的圍巖表面變形進(jìn)行了觀測,同時(shí),結(jié)合井下具體條件,在變形較大區(qū)域?qū)γ褐鶅?nèi)部圍巖狀況進(jìn)行了鉆孔錄像。

4.1 監(jiān)測效果分析

通過對切眼的連續(xù)觀測,在導(dǎo)硐期間,巷道變形比較穩(wěn)定,變形量及變形速度較為緩和,頂板下沉量不超過 45mm,兩幫移近量不超過 60mm,其中巷道收斂變形主要特點(diǎn)是兩幫稍大于頂板;頂板離層發(fā)生在錨固區(qū)內(nèi)很小,離層總量 22mm,錨固區(qū)外離層控制在安全范圍內(nèi),如圖 5所示。

圖5 掘進(jìn)期間頂?shù)装逡平壳€

由圖 5可見,高強(qiáng)度錨桿支護(hù)對頂板圍巖及窄煤柱穩(wěn)定起到了很好的控制作用?？傮w上,巷道支護(hù)狀況良好,圍巖變形得到了有效控制。

4.2 內(nèi)部圍巖狀況

由鉆孔窺視圖 6可知,沿空煤柱整體完整,無明顯的裂紋、破碎等現(xiàn)象發(fā)生,表明煤柱參數(shù)及支護(hù)方案對煤柱幫起到了良好的控制效果。

圖6 窄煤柱煤體內(nèi)部狀況

5 結(jié)論

(1)通過分析沿空掘巷時(shí)上覆巖層大結(jié)構(gòu)的狀態(tài),選定了切眼的開掘位置并運(yùn)用極限平衡理論和井下實(shí)際條件確定煤柱寬度為 4m。

(2)針對上覆巖層所處狀態(tài)及復(fù)合頂板易離層的特點(diǎn),提出采用高性能錨桿支護(hù)加錨索補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)體系。

(3)工程實(shí)踐表明:沿空開切眼過程中擴(kuò)寬時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)對圍巖的穩(wěn)定性有重要影響,使用高性能錨桿加錨索支護(hù)可以較好地改善圍巖的承載性能,減輕擾動(dòng)影響,保持巷道穩(wěn)定性。

[1]闞甲廣,張 農(nóng),李桂臣,等 .深井大跨度切眼施工方式研究 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2009,26(2).

[2]李學(xué)華 .綜放沿空掘巷圍巖穩(wěn)定控制原理與技術(shù) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[3]梁興旺,王連國,何興華,等 .沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2007,27(2).

[4]王海濤,黃自發(fā) .留小煤柱沿空掘巷技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤炭工程,2006(5).

[責(zé)任編輯:王興庫]

Design of Coal Pillar for Large-section Open-off Cut along Gob and Surrounding Rock Control Technology

XIE Shao-ying1,L IU Dong2

(1.Hengyuan Colliery,Anhui Hengyuan Coal&Power Co.,Ltd,Huaibei 235162,China; 2.Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

By analyzing state of large structure of overlying strata,this paper believed that keeping roadway along gobwhichwas driven along gob was possible and it was necessary for supporting small structure immediately.This paper analyzed and calculated width of coal pillar for driving roadway along gob.Actual test showed that rationalpillarwidth and immediate supportingwere favorable to keeping roadway stability.

large section;open-off cut;driving roadway along gob;coal pillar design;surrounding rock control

TD263.4 2

A

1006-6225(2010)05-0035-03

2010-07-20

謝紹穎 (1963-),男,安徽潁上人,碩士,高級工程師,現(xiàn)任安徽恒源煤電股份有限公司恒源煤礦礦長。