回收殘留煤柱巷道布置方式與控制技術(shù)研究

王航龍 王 鵬 羅 淵

(昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院，云南省昆明市，650011)

近年來(lái)，為提高煤炭資源回收率、增加煤礦經(jīng)濟(jì)效益、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限及改善鄰近煤層開(kāi)采時(shí)應(yīng)力環(huán)境，國(guó)內(nèi)許多礦井逐步嘗試有條件地回收井田內(nèi)的殘留煤柱，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐。布置殘留煤柱回收工作面時(shí)，為提高資源回收率，改善巷道應(yīng)力環(huán)境，回采巷道一般采用沿空掘巷方式布置。但由于殘留煤柱附近煤層已開(kāi)采，伴隨鄰近工作面采掘高支承應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移以及強(qiáng)卸荷過(guò)程，采空區(qū)邊緣煤巖體產(chǎn)生一定范圍的松動(dòng)破碎圈，確定窄煤柱寬度時(shí)，應(yīng)盡量避免將巷道布置于松動(dòng)圈內(nèi)，以減小巷道的維護(hù)難度。本文基于山西省郭家山礦實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用理論分析、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)踐等方法，確定了殘留煤柱回收工作面護(hù)巷煤柱寬度，針對(duì)性提出巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，為類(lèi)似條件下巷道布置方式與控制技術(shù)的確定提供參考依據(jù)。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

試驗(yàn)礦井目前主采4＃煤層，平均煤厚4m，傾角5°，埋深180m，煤層賦存結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特性

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高強(qiáng)度開(kāi)采后，井田內(nèi)4＃煤層常規(guī)工作面已回采完畢，為延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限、提高煤炭資源回收率，開(kāi)始規(guī)劃回收礦區(qū)內(nèi)的各種煤柱。計(jì)劃首先回收一采區(qū)北部4309工作面與4313工作面間的區(qū)段煤柱，煤柱寬度57m，計(jì)劃布置4311孤島短壁工作面，回采巷道采用沿空掘巷方式布置，設(shè)計(jì)護(hù)巷煤柱寬度7m，工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)工作面采掘平面圖

4311工作面回采巷道設(shè)計(jì)斷面尺寸為3.8m×2.6m (寬×高)，均沿煤層底板留頂煤掘進(jìn)，巷道走向長(zhǎng)度610m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。依據(jù)設(shè)計(jì)方案，首先掘進(jìn)4311軌道巷，巷道掘出52m后礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示，已掘段巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，兩幫收斂速度較快，伴有局部片幫現(xiàn)象，且底臌劇烈，嚴(yán)重威脅著巷道正常掘進(jìn)施工，巷道維護(hù)困難?；诖耍瑳Q定重新設(shè)計(jì)護(hù)巷煤柱寬度與支護(hù)技術(shù)參數(shù)，以控制沿空巷道圍巖大變形。

2 沿空掘巷煤柱寬度確定

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

采用有限差分軟件FLAC3D建立三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。模型尺寸為150m×80m×52m(X×Y×Z)。模型側(cè)邊限制水平移動(dòng)、底部邊界限制垂直移動(dòng)，對(duì)模型上邊界施加4.5MPa垂直載荷模擬埋深180m時(shí)上覆巖層的重量。模型屈服準(zhǔn)則選用莫爾-庫(kù)侖 (Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則，圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。模擬巷道開(kāi)挖斷面4m×3m (寬×高)，支護(hù)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)施工支護(hù)參數(shù)一致。數(shù)值模擬過(guò)程為:原巖應(yīng)力計(jì)算→回采4309工作面→回采4313工作面→開(kāi)挖4311工作面回采巷道→回采4311工作面。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算時(shí)，首先回采4309工作面，計(jì)算平衡后再回采4313工作面，與現(xiàn)場(chǎng)采掘關(guān)系基本一致。為分析工作面采動(dòng)影響下煤柱內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律，分別測(cè)取一側(cè)工作面 (4309工作面)采空時(shí)與兩側(cè)工作面 (4309工作面、4313工作面)采空時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布，應(yīng)力分布曲線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 殘留煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)

由圖3可知，不同回采條件下殘留煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布規(guī)律如下:

(1)4309工作面一側(cè)采空時(shí)，殘留煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈 “單峰”狀態(tài)分布，并依據(jù)與采空區(qū)邊緣煤體距離的不同，分別形成應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)范圍約為0～5m，應(yīng)力升高區(qū)范圍約為5～30m，應(yīng)力峰值約為18.4MPa，位于距采空區(qū)邊緣煤體8m處。

(2)4309與4313工作面兩側(cè)均采空時(shí)，殘留煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈 “雙峰”狀態(tài)分布，無(wú)論從應(yīng)力量值或應(yīng)力分布形態(tài)方面較一側(cè)采空時(shí)均存在較大差異，受兩側(cè)工作面回采支承壓力疊加作用，殘留煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值較一側(cè)采空時(shí)增加2.3MPa，增幅約12.5%，應(yīng)力的增加加劇了采空區(qū)邊緣煤體破碎程度，導(dǎo)致應(yīng)力峰值區(qū)往深部穩(wěn)定圍巖中轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值與采空區(qū)邊緣煤體的距離較一側(cè)采空時(shí)增加約2m。

2.2 不同護(hù)巷煤柱寬度數(shù)值分析

2.2.1 模擬方案確定

由于殘留煤柱寬度僅為57m，設(shè)計(jì)沿空掘巷護(hù)巷煤柱時(shí)應(yīng)盡可能偏小，以提高煤炭資源回收率，若護(hù)巷煤柱寬度過(guò)于偏小，則易造成錨桿著力無(wú)基礎(chǔ)，錨固效果差，同時(shí)易造成因煤柱裂隙發(fā)育而產(chǎn)生的工作面漏風(fēng)、涌水等現(xiàn)象的產(chǎn)生。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，模擬時(shí)選取護(hù)巷煤柱寬度為3m、4m、5m、6m、7m、8m和9m。由于試驗(yàn)巷道是在采空區(qū)頂板活動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行掘進(jìn)的，巷道掘進(jìn)并不擾動(dòng)覆巖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，掘進(jìn)期間變形較小，為此，本文主要分析回采期間煤柱應(yīng)力分布與變形規(guī)律。

2.2.2 模擬結(jié)果分析

(1)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布規(guī)律?；夭善陂g煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布與護(hù)巷煤柱寬度的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，隨著護(hù)巷煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值從3.8MPa增加至14MPa；當(dāng)煤柱寬度大于4m時(shí)，煤柱內(nèi)開(kāi)始存在峰值大于原巖應(yīng)力水平的彈性核區(qū)，彈性核區(qū)的寬度隨著煤柱寬度的增加而逐漸加大。沿空掘巷確定窄煤柱寬度時(shí)的基本原則是提高資源回收率的同時(shí)確保窄煤柱具有一定的承載能力，護(hù)巷煤柱寬度較大不但使其內(nèi)部聚集大量變形破壞能，還增加了窄煤柱的維護(hù)成本，且降低了煤炭資源回收率，從煤柱應(yīng)力分布方面考慮，護(hù)巷煤柱寬度應(yīng)確定為4～5m之間。

(2)護(hù)巷煤柱變形特征分析。回采期間煤柱變形與煤柱寬度的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，回采期間煤柱沿巷道側(cè)的水平位移隨著煤柱寬度的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，分析產(chǎn)生變形破壞特征的主要原因?yàn)槭芄ぷ髅娌蓜?dòng)產(chǎn)生的高量值動(dòng)壓作用，原有巷道圍巖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)將重新調(diào)整，此時(shí)，若護(hù)巷煤柱過(guò)窄 (小于4m)，其承載能力過(guò)低易造成護(hù)巷煤柱的大變形；當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度大于4m時(shí)，煤柱內(nèi)部存在穩(wěn)定承載的彈性核區(qū)，其承載能力的增加誘使護(hù)巷煤柱承載部分采動(dòng)支承應(yīng)力，導(dǎo)致煤柱變形量隨著煤柱寬度的增加而迅速增加，進(jìn)而變形曲線(xiàn)出現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。依據(jù)巷道煤柱幫變形與煤柱寬度間的關(guān)系曲線(xiàn)，確定護(hù)巷煤柱寬度為4～6m。

圖4 煤柱寬度與垂直應(yīng)力的關(guān)系

圖5 煤柱寬度與煤柱變形的關(guān)系

2.3 合理護(hù)巷煤柱寬度確定

根據(jù)已有文獻(xiàn)得知，合理的最小煤柱寬度B計(jì)算如下:

式中:x1——錨桿有效長(zhǎng)度，m；

x2——鄰近工作面回采在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；

M——鄰近回采巷道高度，m；

A——側(cè)壓系數(shù)；

C0——煤體內(nèi)聚力，MPa；

φ0——內(nèi)摩擦角，(°)；

k——應(yīng)力集中系數(shù)；

H——巷道埋深，m；

γ——巖層平均容重，MN／m3；

P0——巷道的支護(hù)強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)該礦生產(chǎn)地質(zhì)條件得知:x1為2.2m、M為2.8m、A為0.19、C0為1.2MPa、φ0為20°、k為2.85、H為180m，γ為0.0255MN／m3、P0為0.1MPa，將各參數(shù)代入式 (1)，計(jì)算得B為3.68m，結(jié)合上述數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最終確定護(hù)巷煤柱寬度為4m。

3 沿空掘巷圍巖控制技術(shù)

3.1 沿空掘巷控制對(duì)策

(1)高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力錨桿 (索)聯(lián)合支護(hù)。增加錨桿強(qiáng)度可提高錨固區(qū)巖體峰值強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，利用自身抗剪性能，阻止圍巖沿弱面錯(cuò)動(dòng)，并通過(guò)施加高量級(jí)預(yù)緊力增加錨固區(qū)巖體的橫向擠壓效應(yīng)，保持巷道圍巖穩(wěn)定。采用錨索將內(nèi)層錨固結(jié)構(gòu)懸吊在深部相對(duì)穩(wěn)定的外層結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)較大范圍圍巖加固。

(2)水力膨脹錨桿全長(zhǎng)錨固加固窄煤柱幫。研究表明，窄煤柱幫為沿空掘巷變形破壞的薄弱環(huán)節(jié)。掘采期間易出現(xiàn)裂隙貫通、片幫等局部失穩(wěn)現(xiàn)象，造成錨桿著力基礎(chǔ)差。為此，對(duì)窄煤柱采取全長(zhǎng)錨固的水脹錨桿加強(qiáng)支護(hù)，通過(guò)高壓水膨脹擠壓作用，對(duì)破碎煤體施加徑向擠壓應(yīng)力，提高其物理力學(xué)參數(shù)，增加窄煤柱承載能力及可錨性能。

3.2 沿空掘巷控制技術(shù)與參數(shù)

(1)頂板支護(hù):采用?22mm×2400mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距850mm×800mm，錨桿采用端頭加長(zhǎng)錨固方式，采用CK2335錨固劑與Z2360錨固劑各1支，圍巖表面鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)與?14mm圓鋼制作的鋼筋梯子梁；并采用?17.8 mm×7300mm預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)，間排距1000 mm×1600mm，每排3根，每根錨索分別采用CK2335錨固劑1支和Z2360錨固劑2支加長(zhǎng)錨固。

(2)兩幫支護(hù):采用?22mm×2400mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距700mm×800mm，錨桿采用端頭加長(zhǎng)錨固方式，采用CK2335錨固劑與Z2360錨固劑各1支，圍巖表面鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)與?14mm圓鋼制作的鋼筋梯子梁。

(3)窄煤柱幫 (采空區(qū)側(cè))加強(qiáng)支護(hù):兩排高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿之間采用?27.5mm×2400mm水力膨脹錨桿加強(qiáng)支護(hù)，間排距700mm×800mm。巷道支護(hù)斷面如圖6所示。

圖6 巷道支護(hù)斷面圖

圖7 巷道圍巖變形量和速度與距工作面距離的關(guān)系

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

觀(guān)測(cè)4311工作面軌道巷服務(wù)期間圍巖變形量與變形速度見(jiàn)圖7。分析數(shù)據(jù)得到巷道圍巖變形規(guī)律為試驗(yàn)巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量遠(yuǎn)小于回采期間，掘進(jìn)穩(wěn)定后兩幫移近量與頂?shù)装逡平糠謩e為120mm和100mm；回采期間頂?shù)装逑鄬?duì)移近量為659mm，相對(duì)平均移近速度為26.3mm／d；兩幫相對(duì)移近量為875mm，相對(duì)平均移近速度為35.1mm／d。通過(guò)對(duì)工作面兩回采巷道采取超前加強(qiáng)支護(hù)，回采過(guò)程中，巷道圍巖變形得到了有效控制，滿(mǎn)足了礦井安全高效生產(chǎn)要求，取得了良好的控制效果。

4 結(jié)論

(1)基于對(duì)殘留煤柱內(nèi)支承應(yīng)力分布規(guī)律分析，確定了采空區(qū)邊緣煤體應(yīng)力降低區(qū)的范圍為0～5m，通過(guò)對(duì)不同寬度護(hù)巷煤柱下窄煤柱應(yīng)力分布規(guī)律及變形破壞特征的數(shù)值模擬，最終確定合理的護(hù)巷煤柱寬度為4m。

(2)針對(duì)性提出試驗(yàn)巷道圍巖控制對(duì)策:高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力錨桿 (索)聯(lián)合支護(hù)；水力膨脹錨桿全長(zhǎng)錨固加固窄煤柱幫，確定了試驗(yàn)巷道圍巖控制技術(shù)與參數(shù)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明巷道圍巖控制效果顯著。

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