孤島工作面窄煤柱沿空巷道支護(hù)技術(shù)研究

王 威 王福海 王慶牛 陳 康 聶建偉 葛齊遠(yuǎn)

(1.安徽省煤炭科學(xué)研究院；2.淮南礦業(yè)集團(tuán))

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孤島工作面窄煤柱沿空巷道支護(hù)技術(shù)研究

王 威1王福海1王慶牛1陳 康1聶建偉1葛齊遠(yuǎn)2

(1.安徽省煤炭科學(xué)研究院；2.淮南礦業(yè)集團(tuán))

根據(jù)張集煤礦1112(3)孤島工作面煤層賦存條件，為保障該工作面頂板回采安全，針對試驗(yàn)巷道U型棚段不同變形情況采用了不同加固支護(hù)參數(shù)，建立3種工況的力學(xué)模型，進(jìn)行了應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分析。結(jié)果表明，巷道總體變形在合理范圍內(nèi)，局部稍加臥底即能滿足安全生產(chǎn)要求。

孤島工作面 力學(xué)模型 注漿錨索 塑性區(qū)

近年來，我國煤礦開采深度逐年增加，為了避免連續(xù)工作面之間的干擾，滿足安全開采的需要，各大礦區(qū)都普遍存在著孤島工作面開采的問題。孤島工作面上下兩巷均為窄煤柱[1]沿空巷道，窄煤柱受上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，強(qiáng)度低、承載能力小，在本工作面的采動影響下發(fā)生變形破壞，將支承壓力大部分轉(zhuǎn)移到實(shí)體煤幫，使實(shí)體煤幫的變形急劇增大，圍巖變形難以控制，局部變形嚴(yán)重區(qū)段不僅要刷幫、臥底，甚至需要挑頂，不僅影響皮帶運(yùn)輸，而且也對工作面安全生產(chǎn)造成較大隱患。為保證工作面的正常使用，模擬了工作面的力學(xué)狀態(tài)，為煤礦安全開采提供保障。

1 張集煤礦1112(3)綜采面

張集煤礦1112(3)綜采面位于-600 m水平東一采區(qū)，該面西鄰1111(3)工作面采空區(qū)，東鄰1113(3)工作面采空區(qū)，南至東翼系統(tǒng)大巷，北至采區(qū)邊界F217斷層，該面下部為1111(1)工作面采空區(qū)和1112(1)工作面采空區(qū)。1112(3)綜采面標(biāo)高為-496～-560 m，地面標(biāo)高+18.2～+21.3 m，該面運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)工程量為2 230 m，軌道順槽設(shè)計(jì)工程量為2 154 m，切眼設(shè)計(jì)工程量為200 m。該面13-1煤層厚2.21～5.4 m，平均為3.81 m，傾角為3°～8°。

2 1112(3)孤島工作面力學(xué)狀態(tài)計(jì)算模擬

2.1 建立計(jì)算模型

采用美國Itasca Consulting Group Inc.開發(fā)的離散元軟件UDEC4.0(Universal Distinct lement Code 4.0)，以1112(3)孤島工作面運(yùn)輸順槽為例進(jìn)行模擬計(jì)算。模型寬500 m，高250 m，其中包括面長200 m的工作面、巷道以及兩側(cè)邊界。模型包括2個(gè)煤層，分別為13，11槽煤，兩煤層平均間距為78 m，煤柱寬8 m。模型兩側(cè)限制水平方向移動，底邊限制水平方向和垂直方向移動，模型上表面為應(yīng)力邊界，破壞遵循Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，圖1為1112(3)孤島面軌、運(yùn)順力學(xué)模型示意圖。

圖1 1112(3)運(yùn)輸順槽力學(xué)模型示意

2.2 計(jì)算模型模擬方案

1112(3)孤島面運(yùn)輸順槽沿空巷道[2]架棚段為拱形斷面，根據(jù)巷道圍巖的破壞狀況，分別采取以下3種加固方式。

(1)工況Ⅰ(巷道均勻收縮區(qū)段)。煤柱側(cè)幫及煤柱側(cè)幫肩窩采用注漿錨索加固，工作面?zhèn)葞筒捎缅^桿加固。煤柱側(cè)幫注漿錨索采用“1-0”布置，規(guī)格為φ22 mm×4 300 mm；煤柱側(cè)幫肩窩注漿錨索也采用“1-0”布置，注漿錨索規(guī)格為φ22 mm×7 300 mm；工作面?zhèn)葞湾^桿采用 “3-3”布置，通過廢舊皮帶組合為一體，加固錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm。

(2)工況Ⅱ(巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈區(qū)段，棚梁壓彎變平)。該區(qū)段除工作面?zhèn)葞秃兔褐鶄?cè)幫加固方式同U型棚均勻收縮區(qū)段一樣外，頂板采用工字鋼梁組合錨索加固，共布置3排長4.5 m的11#礦工鋼梁組合錨索。每根工字鋼梁上共布置4根錨索，錨索規(guī)格為φ22 mm×7 300 mm，相鄰工字鋼梁上的錨索呈交錯布置。

(3)工況Ⅲ(頂壓顯現(xiàn)劇烈區(qū)段)。該區(qū)段頂板加固方案與工況Ⅱ相同。

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 應(yīng)力分析

圖2～圖4分別為運(yùn)順工況Ⅰ、工況Ⅱ及工況Ⅲ周邊垂直應(yīng)力分布云圖及頂?shù)装?、兩幫垂直?yīng)力曲線圖。由圖中可以看出，各工況下巷道周邊垂直應(yīng)力分布情況大致相同。在巷道左幫煤柱與右?guī)兔后w一定深處圍巖中產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于巷道開挖擾動圍巖，在巷道頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)為卸壓區(qū)，此區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力降低。

圖2 運(yùn)順各工況垂直應(yīng)力云圖

圖3 兩幫煤柱及煤體內(nèi)垂直應(yīng)力曲線

圖4 頂?shù)装鍘r層內(nèi)垂直應(yīng)力曲線

由以上各圖可知，在1112(3)孤島面運(yùn)順3種工況下，巷道兩幫與頂?shù)装宕怪睉?yīng)力在形態(tài)上基本相似。巷道兩幫垂直應(yīng)力峰值均在距巷道邊緣4 m處，左幫煤柱側(cè)工況Ⅰ、工況Ⅱ及工況Ⅲ垂直應(yīng)力峰值分別為28.23,27.8,27.1 MPa，右?guī)蛯?shí)體煤側(cè)工況Ⅰ、工況Ⅱ及工況Ⅲ垂直應(yīng)力峰值分別為28.12,28.53,27.82 MPa。3種工況下巷道兩幫4 m范圍內(nèi)應(yīng)力變化明顯，受巷道開挖擾動影響嚴(yán)重，右?guī)?～30 m為應(yīng)力增高區(qū)，30 m以外為原巖應(yīng)力區(qū)。在巷道頂?shù)装鍘r層中，巷道底板7 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力變化較大，為卸壓狀態(tài)，底板7～18 m垂直應(yīng)力變化趨緩，18 m以外垂直應(yīng)力變化較?。幌锏理敯? m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力變化較大，呈卸壓狀態(tài)，在頂板6～32 m垂直應(yīng)力呈振蕩變化，其主要原因可能為巷道開挖使頂板巖層卸壓或產(chǎn)生裂隙離層，在頂板32 m以外垂直應(yīng)力變化較小。

2.3.2 位移分析

圖5、圖6分別為1112(3)孤島工作面運(yùn)順在3種工況加固條件下垂直位移云圖與水平位移云圖。

圖5 各工況巷道垂直位移云圖

圖6 各工況巷道水平位移云圖

在3種工況加固條件下，1112(3)孤島工作面運(yùn)順巷道左幫煤柱側(cè)變形大于右?guī)蛯?shí)體側(cè)，表明工作面回采前巷道左幫煤柱受采動影響較右?guī)蛯?shí)體側(cè)大。由于工況Ⅰ頂板沒有加固，所以工況Ⅰ比工況Ⅱ和工況Ⅲ頂板下沉量稍大，表明在巷道頂板布置加固錨索加強(qiáng)支護(hù)起到了較好的效果。工況Ⅱ與工況Ⅲ相比，不僅兩幫變形明顯降低，而且巷道頂板下沉及底板鼓出量明顯減小，表明兩幫加固能較好地控制巷道變形。3種加固工況條件下工況Ⅱ總體變形最小，表明對不同巖性條件采取針對性加固措施，以適應(yīng)地質(zhì)條件變化，能達(dá)到較好的支護(hù)效果。

2.3.3 塑性區(qū)分析

工作面回采與巷道開挖都對周邊圍巖產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致圍巖變形破壞等，在圍巖中會形成一定范圍的塑性區(qū)分布。由圖7可以看出，工況Ⅰ巷道左幫與底板處出現(xiàn)拉破壞點(diǎn)域，工況Ⅱ、工況Ⅲ巷道表面未出現(xiàn)拉破壞點(diǎn)域；3種工況下左幫煤柱側(cè)塑性區(qū)范圍較右?guī)痛?，說明左幫受上區(qū)段采動影響較右?guī)兔黠@；工況Ⅰ頂板圍巖進(jìn)入屈服狀態(tài)的點(diǎn)域較工況Ⅱ、工況Ⅲ多一些，表明工況Ⅱ、工況Ⅲ在巷道拱頂與右肩窩處布置錨索支護(hù)起到了一定的作用。

圖7 各工況巷道塑性區(qū)分布

3 結(jié) 論

通過對張集礦1112(3)運(yùn)順U型段的試驗(yàn)，分析其地質(zhì)力學(xué)條件、3種工況數(shù)值模型的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)，得出以下結(jié)論：

(1)3種工況條件下，工況Ⅰ煤柱側(cè)幫(左幫)變形最大，為432 mm；工況Ⅲ右?guī)妥冃巫畲?，?36 mm；工況Ⅰ頂板下沉量最大，為341 mm；工況Ⅲ底鼓量最大，為405 mm?？傮w而言，工況Ⅱ整體變形最小。

(2)針對試驗(yàn)巷道的不同情況，分區(qū)段采用不同的支護(hù)方式，巷道總體變形在合理范圍內(nèi)，局部稍加臥底即能滿足安全生產(chǎn)要求。說明針對不同地質(zhì)條件區(qū)段采用相應(yīng)的加固技術(shù)參數(shù)能達(dá)到較好的支護(hù)效果，為工作面回采頂板安全提供了理論依據(jù)。

[1] 秦寶華，周 鋼，趙國慶，等.深部沿空巷道窄煤柱合理寬度確定[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2014(7)：93-95.

[2] 陳艦艇，陳建星，楊盼杰，等.趙固二礦沿空巷道圍巖控制數(shù)值模擬研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013(11)：103-105.

Research on the Supporting Technology of Gob-side Entry of Narrow Coal Pillar of Isolated Island Working Face

Wang Wei1Wang Fuhai1Wang Qingniu1Chen Kang1Nie Jianwei1Ge Qiyuan2

(1. Anhui Province Coal Science Research Institute; 2. Huainan Coal Mining Co., Ltd.)

According to the coal seam occurrence conditions of the 1112(3) isolated island working face in Zhangji coal mine, in order to ensure the security of the mining face roof, different supporting parameters are used based on different deformation conditions of the U-type tent period of the experimental roadway. Mechanical models under three kinds of working conditions are established, and the stress, displacement and plastic zone are analyzed in depth. The results show that, the overall deformation of roadway is in a reasonable range, it can satisfy the requirements of safety production by local restorat on of roadury floor.

Isolated island,Mechanical model,Grouting anchor cable,Plastic zone

2014-11-17)

王 威(1982—)，男，碩士，230001 安徽省合肥市宣城路81號。