沿空巷道小煤柱留設(shè)及其支護(hù)技術(shù)研究

劉 海，馮 濤，余偉健,，王 平

(1.百色百礦集團(tuán)有限公司， 廣西 百色 533000；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

0 引 言

沿空掘巷小煤柱護(hù)巷是目前煤炭回采率較高而巷道圍巖應(yīng)力相對簡單的一種先進(jìn)的掘巷和護(hù)巷技術(shù)。在煤炭資源相對匱乏的南方煤礦提高煤炭回采率具有重要意義，因而小煤柱沿空掘巷技術(shù)在南方煤礦具有廣泛的應(yīng)用前景。眾多學(xué)者對該技術(shù)進(jìn)行過深入研究，并得到了一些有益的結(jié)論[1￣8]。

作者在總結(jié)前人的研究成果的基礎(chǔ)上,得出沿空掘巷技術(shù)成功的關(guān)鍵是將巷道置于應(yīng)力相對較低的區(qū)域，即確定合理的煤柱寬度。同時，提出切實(shí)有效的支護(hù)方案，控制巷道圍巖的變形以及頂板巖層的離層。

1 工程概況

廣西百色東懷煤礦的1201工作面作為該礦I煤層首采區(qū)已經(jīng)于2006年12月采完，為了提高煤炭資源采出率，現(xiàn)準(zhǔn)備針對該工作面上方的3I01工作面煤炭進(jìn)行回采， 3I01工作面布置在三采區(qū)，具體空間位置如圖1所示。

圖13I01工作面位置

整個三采區(qū)的地面屬丘陵地貌，地表標(biāo)高平均為+198 m，上部分回采工作面的標(biāo)高平均約30 m。待采的I煤層厚2.8～3.2 m，煤層傾角14°～20°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以暗煤為主，條帶狀結(jié)構(gòu)，含砂質(zhì)透鏡體，3～5層碳質(zhì)泥巖夾矸，厚0.1～0.6 m。煤層為低沼氣煤層(含量為5.33 m3/t)，煤塵有爆炸危險，煤層的自燃傾向性等級為I類，屬易自燃煤層。根據(jù)相鄰工作面巷道掘進(jìn)揭露的情況看，該煤層賦存較為穩(wěn)定。頂板偽頂易脫落，直接底遇水變軟，頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 小煤柱合理寬度的確定

2.1 確定小煤柱寬度的原則及理論計算

煤柱寬度是影響巷道圍巖穩(wěn)定的重要因素，既要考慮不同煤柱寬度時上區(qū)段頂板破斷運(yùn)動形成的側(cè)向壓力的影響，又要考慮本區(qū)段回采時的超前支承壓力的影響，既要研究合理的煤柱寬高比，又要研究煤柱合理的支護(hù)形式及參數(shù)。在綜合分析諸多影響因素的前提下確定最佳煤柱寬度。對于東懷煤礦綜采沿空掘巷，采用較小的煤柱寬度，在符合綜采采場頂板運(yùn)動規(guī)律及支承壓力分布規(guī)律的前提下，充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用，以控制煤柱非穩(wěn)定塑性區(qū)的擴(kuò)展，減少煤柱損失，這是小煤柱護(hù)巷的基本原則。

目前，確定煤柱寬度的方法主要有4種：經(jīng)驗(yàn)法、理論計算法、數(shù)值模擬法以及實(shí)測應(yīng)力法。經(jīng)驗(yàn)法缺乏科學(xué)性，理論計算法只能計算出簡單的力學(xué)模型缺乏實(shí)用性，這兩種方法都只能作為選擇煤柱寬度的初步參考。數(shù)值模擬法可以模擬不同煤柱寬度和支護(hù)方案條件下的巷道圍巖穩(wěn)定性，但仍需對力學(xué)模型進(jìn)行簡化。而實(shí)測法是一種簡單、直接、可靠的設(shè)計方法，但不能對多種寬度煤柱同時進(jìn)行實(shí)測。因此，需將4種方法結(jié)合起來，綜合分析得出最合理的小煤柱寬度，具體實(shí)施方案為：首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初步確定小煤柱寬度的范圍，再結(jié)合數(shù)值模擬的放方法將在初步確定的煤柱寬度范圍內(nèi)取多種煤柱寬度分別進(jìn)行模擬，得出相對較優(yōu)的煤柱寬度，最后根據(jù)模擬得到的煤柱寬度進(jìn)行初步施工，并對巷道圍巖應(yīng)力和變形進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，根據(jù)實(shí)測結(jié)果適當(dāng)調(diào)整煤柱寬度，得到最優(yōu)的煤柱寬度。侯朝炯[9￣11]等人認(rèn)為合理的煤柱寬度應(yīng)該具有3個部分，包括塑性區(qū)X1，安全富余段X3，以及錨桿有效長度X2，如圖2所示。

圖2 煤柱寬度計算示意

其中，X1根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計算，X2根據(jù)錨桿的有效支護(hù)長度取值，這里取1.6 m。

(1)

X3=(X2+X1) (30%～50%)

(2)

式中：m為工作面采高,m；A為側(cè)壓系數(shù)；γ為上覆巖層平均容重,kg/m3；H為采深,m；φ0為煤體內(nèi)摩擦角,°；C0為煤體內(nèi)聚力 ,MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)；Pz為上區(qū)段的支護(hù)阻力,MPa；

代入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估算，可得X1=2.1 m，X3=1.11～1.85 m，因此得到煤柱的合理寬度范圍為4.81～5.55 m，初步確定以5 m為計算基準(zhǔn)，劃分?jǐn)?shù)值模擬的試驗(yàn)水平，考慮到與大煤柱的對比將模擬水平確定為：3，5，10，15，22 m和35 m。

2.2 不同寬度小煤柱的數(shù)值模擬

根據(jù)巖石物理力學(xué)參數(shù)以及礦井巖層柱狀圖，數(shù)值模擬計算采用摩爾-庫侖模型，具體圍巖參數(shù)值根據(jù)測試報告和現(xiàn)場情況確定如表2所示。

建立的如圖3所示數(shù)值模擬模型，長400 m，寬200 m，高120 m，3 m煤柱的模型共116000單元塊，124230個節(jié)點(diǎn)。計算模型的左右和底部取位移邊界，而上部取應(yīng)力邊界，其應(yīng)力為上部覆巖層的自重應(yīng)力，根據(jù)實(shí)際圍巖介質(zhì)，在此取上覆巖層的容重γ=2500 kg/m3，h=78 m，由此可以計算出上邊界的應(yīng)力為1.95 MPa。由于構(gòu)造所引起的水平構(gòu)造應(yīng)力較小，因此，側(cè)壓系數(shù)(λ)可定為1。

表2 主要巖層力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值計算模型

根據(jù)建立的數(shù)值模型對不同寬度煤柱在掘巷和回采期間的應(yīng)力場和位移場進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果導(dǎo)入tecplot軟件進(jìn)行后處理，不同寬度煤柱時的垂直應(yīng)力場如圖4所示。

圖4不同煤柱寬度的垂直應(yīng)力場

由圖4可以看出，3 m和5 m小煤柱時，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)；當(dāng)煤柱寬度為10，15 m和22 m時，巷道處于高應(yīng)力區(qū)；當(dāng)煤柱寬度為35 m時，巷道基本遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)中。對不同寬度煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果分別見圖5和圖6所示。

根據(jù)圖5可以看出，隨著煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)的最大垂直應(yīng)力增大，當(dāng)煤柱寬度為22 m時,達(dá)到最大，當(dāng)煤柱寬度為35 m時，垂直應(yīng)力峰值有所減小，并出現(xiàn)兩個峰值。由圖6可以看出當(dāng)護(hù)巷煤柱為3～5 m小煤柱以及10～22 m的中等寬度煤柱時，隨著煤柱寬度的增大，煤柱水平變形量逐漸增大。護(hù)巷煤柱為35 m寬煤柱時，巷道圍巖變形量顯著減小。因此，根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果初步確定煤柱寬度取5 m是較為合理的。

圖5 煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布

圖6 煤柱內(nèi)部水平位移

3 支護(hù)方案及參數(shù)

3.1 3I01工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)設(shè)計

基于沿空留巷圍巖控制機(jī)理和小煤柱的留設(shè)原則,結(jié)合東懷煤礦的工程實(shí)際，提出了東懷煤礦5 m小煤柱沿空掘巷巖控制技術(shù)，即：長錨索控制頂板離層、高強(qiáng)度幫錨桿限制兩幫變形，底角傾斜錨桿防止巷道底鼓。為保證工作面巷道在最終變形后能滿足通風(fēng)、運(yùn)輸、行人等安全生產(chǎn)需要，應(yīng)適當(dāng)預(yù)留巷道斷面(200 mm)以滿足變形的要求。因此，巷道沿著煤層走向，凈寬為4.0 m，中線不低于3.0 m?；谒蓜尤碚撨M(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)場的巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視初步分析，頂板結(jié)構(gòu)較好，只有靠近采空區(qū)頂板有一部分裂隙，裂隙位置位于頂板5～6 m深，即待采工作面(3I01)風(fēng)巷必須設(shè)置不少于7 m長的錨索支護(hù)。因此，對巷道采用錨桿、金屬網(wǎng)、H型鋼帶和錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，具體錨桿及錨索布置方式見圖7。

3.2 交叉口、切眼和破碎頂板的加強(qiáng)措施

對于3I01進(jìn)風(fēng)巷，在頂板破碎處或在交叉口、切眼為了加強(qiáng)支護(hù)可靠近小煤柱幫(下幫)0.2～0.3 m設(shè)一排液壓單體+頂梁，液壓單體間距為1.5 m左右，單體豎直支撐在頂梁的中部，頂梁平行巷道。液壓單體的初撐力不小于90 kN，液壓單體的鐵鞋必須接到實(shí)底。另外，由于交叉口、切眼處和破碎處巷道的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，容易由于支護(hù)不足造成頂板冒落等事故，因此，在遇到交叉口、切眼處和破碎處應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。加強(qiáng)支護(hù)主要采用液壓單體支柱，支護(hù)密度根據(jù)礦壓顯現(xiàn)和頂板破碎程度而定，其排距一般為1.5 m左右。液壓單體分別靠近兩幫0.2～0.3 m布置。

圖7 巷道支護(hù)方案

4 現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測

根據(jù)初步設(shè)計方案進(jìn)行現(xiàn)場施工并對巷道表面位移、頂板離層情況以及圍巖應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以便對支護(hù)方案及參數(shù)進(jìn)行反饋修正。采用“十”字觀測法進(jìn)行測量巷道圍巖相對變形量，并判斷圍巖穩(wěn)定性。對6個斷面監(jiān)測，其中C、D斷面為試驗(yàn)段巷道斷面、A、B、E、F斷面為對比斷面，監(jiān)測結(jié)果見圖8、9所示。從圖8、圖9可知,對比段A、B、E、F斷面的最大移近速度為6.3 mm/d，累計移近量達(dá)80 mm，而試驗(yàn)斷面C、D斷面的最大移近速度為3.3 mm/d，累計移近量為42 mm。巷道掘出后變形速度最大，20 d后逐漸變緩，40 d后開始減小，兩個月后基本趨于穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

(1) 基于綜采工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，選擇將沿空掘巷巷道布設(shè)在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬優(yōu)化等手段初步確定東懷3I01工作面沿空掘巷巷道小煤柱寬度留設(shè)為5 m。

圖8 巷道兩幫收斂速度曲線

圖9 巷道巷頂?shù)装迨諗克俣惹€

(2) 軟弱頂?shù)装鍡l件下，小煤柱沿空掘巷技術(shù)的關(guān)鍵是控制“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定，支護(hù)設(shè)計時考慮大、小結(jié)構(gòu)的協(xié)同承載。綜合考慮了東懷煤礦的地質(zhì)條件和應(yīng)力條件，最終確定了頂板長錨索+幫部加長左旋螺紋鋼錨桿+底腳錨桿+H型鋼帶+錨桿的組合支護(hù)方案。

(3) 根據(jù)初步設(shè)計方案進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，對巷道表面位移、頂板列離層情況以及錨桿軸向應(yīng)力分別進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明,在掘巷支護(hù)后60 d左右巷道基本趨于穩(wěn)定，支護(hù)效果顯著。

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