宋李輝
(山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司兌鎮(zhèn)煤礦, 山西 呂梁 032300)
隨著開采年限的延長和開采強(qiáng)度的加大,許多礦區(qū)賦存條件好、煤質(zhì)優(yōu)良的煤炭資源日益減少,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)煤炭資源的精細(xì)化開采已經(jīng)成為許多礦井面臨的共同技術(shù)難題。留設(shè)小煤柱沿空掘巷作為當(dāng)前我國無煤柱護(hù)巷的主要形式,是提高資源回收率和經(jīng)濟(jì)效益的有效措施,該技術(shù)的關(guān)鍵在于護(hù)巷煤柱合理寬度的確定和巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)。本文基于鳳凰臺煤業(yè)公司2303工作面三軟煤層開采的現(xiàn)場生產(chǎn)條件,采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和力學(xué)分析等方法,成功實(shí)現(xiàn)了沿空掘巷,達(dá)到了安全高效開采的目的[1]。
鳳凰臺煤業(yè)公司主采煤層為三層,其中2號煤發(fā)熱量最高,煤質(zhì)最好。2號煤僅部分采區(qū)可采,資源儲(chǔ)量較少。回采過程中,2號煤工作面的區(qū)段煤柱尺寸為10 m,為提高2號煤的采出率,擬在2303工作面進(jìn)行沿空掘巷試驗(yàn)。該工作面位于九采區(qū)南部,埋深為400~500 m,設(shè)計(jì)走向長度935 m,傾斜長度145 m。工作面運(yùn)輸巷及運(yùn)料巷均為梯形,巷道規(guī)格為4.2 m×2.6 m(寬×高),斷面面積為10.92 m2。
根據(jù)2303工作面頂?shù)装鍘r性所知,2號煤的普氏系數(shù)為0.15,屬于極軟煤層,且頂板炭質(zhì)泥巖,抗壓強(qiáng)度為18.3 MPa,底板的抗壓強(qiáng)度為3.7 MPa,為典型的“三軟”煤層。
根據(jù)窄煤柱設(shè)計(jì)原則,采用極限平衡理論和彈塑性理論計(jì)算合理的最小護(hù)巷煤柱寬度為4.72~5.34 m。根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果,初步將護(hù)巷煤柱的寬度定為5 m,以5 m為中心,以0.5 m為梯度,采用FLAC3D對3~8 m護(hù)巷煤柱下巷道圍巖的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和位移分布狀況進(jìn)行模擬分析。煤柱寬度不同時(shí),巷道開挖引起的圍巖變形規(guī)律如圖1所示。
圖1 不同煤柱寬度時(shí)的圍巖變形量
從圖1數(shù)據(jù)可知,該沿空掘巷圍巖變形量隨著煤柱寬度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)煤柱寬度5 m時(shí),兩幫移近量為359 mm,頂?shù)装逡平繛?92 mm,圍巖變形量最小。不同煤柱寬度時(shí)的應(yīng)力分布也呈現(xiàn)類似的規(guī)律,煤柱寬度為5 m時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布均相對較優(yōu)。綜合以上理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究結(jié)果,確定2303運(yùn)料巷護(hù)巷窄煤柱的合理寬度為5 m[2-3]。
沿空掘進(jìn)的巷道與上工作面采空區(qū)距離較近,采空區(qū)側(cè)向頂板的斷裂旋轉(zhuǎn)下沉是造成護(hù)巷煤柱失穩(wěn)的主要因素。載荷通過巷道圍巖傳遞,最終由頂板、兩幫和支護(hù)體共同承擔(dān),形成“頂板-兩幫-支護(hù)體”聯(lián)合承載結(jié)構(gòu),如下頁圖2所示。該聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)的跨度為巷道的寬度L,厚度為巷道表面的非均勻壓縮帶和壓縮帶之和b。
聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)能有效組織巷道圍巖塑性區(qū)的寬度,減小巷道圍巖的變形,對巷道穩(wěn)定性具有重要作用。聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度主要與圍巖的性質(zhì)(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)、巷道的規(guī)格(巷道的寬度)及錨桿的性質(zhì)(強(qiáng)度、直徑等)有關(guān)。
1)該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與巷道圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角成線性正比例關(guān)系,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的增大可提高該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
2)該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與巷道的寬度成反比例關(guān)系,巷道寬度越小越有利于其穩(wěn)定。
3)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與錨桿的屈服強(qiáng)度成線性正比例關(guān)系,因此在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選取高強(qiáng)或超高強(qiáng)度螺紋鋼桿體[4]。
4)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與錨桿直徑的平方成次正比例關(guān)系,隨著錨桿直徑的增大,該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng),巷道穩(wěn)定性增高。
圖2 矩形巷道聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)示意圖
在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,結(jié)合理論計(jì)算及實(shí)際的生產(chǎn)條件,確定2303運(yùn)料巷沿空掘巷的支護(hù)方案如圖3所示。
圖3 2303運(yùn)料巷支護(hù)方案(單位:mm)
為了提高聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,保證巷道的穩(wěn)定,巷道頂板和兩幫均采用Φ22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼強(qiáng)力錨桿配卷S2360與一卷Z2360樹脂藥卷全長錨固,頂錨桿間排距為750 mm×700 mm,幫錨桿間排距為700 mm×700 mm。其他組合構(gòu)件為120 mm×120 mm×12 mm(長×寬×厚)的蝶形托盤、Φ16 mm鋼筋梯子梁及14號鐵絲編織而成的2.5 m×1.0 m(長×寬)的菱形金屬網(wǎng)。
巷道頂板打雙排邁步錨索,錨索規(guī)格為Φ15.24mm×9 000 mm鋼絞線配三卷Z2360樹脂藥卷錨固,其他構(gòu)件為120 mm×150 mm×16 mm(長×寬×厚)的鋼板托盤、14號槽鋼及鋼筋梯子梁以及14號鐵絲編織而成的4.5 m×1.0 m(長×寬)的菱形金屬網(wǎng),錨索間排距1.4 m×2.5 m在斷層等地質(zhì)條件異常地段或煤層變薄帶,必須對巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),加強(qiáng)支護(hù)的方式視巷道情況采用以下一種或幾種方式:增加錨桿的布置密度;補(bǔ)設(shè)金屬支架加強(qiáng)(組合)支護(hù);注漿加固圍巖[5]。
為了驗(yàn)證窄煤柱護(hù)巷試驗(yàn)的結(jié)果,巷道掘進(jìn)過程中2303運(yùn)料巷共設(shè)置了五個(gè)測站,每個(gè)測站布設(shè)兩個(gè)巷道表面位移觀測面,一個(gè)深基點(diǎn)位移計(jì)觀測面。通過位于巷道中部的三號測站的礦壓觀測數(shù)據(jù)可知,巷道的掘進(jìn)影響期為9 d。在此期間,巷道急劇變形,兩幫及頂?shù)鬃冃瘟糠謩e為176 mm、146 mm;巷道變形速率表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,兩幫變形速率在第2天達(dá)到最大值30 mm/d,頂?shù)鬃冃嗡俾试诰蜻M(jìn)后的第3天達(dá)到最大值32 mm/d。然后巷道進(jìn)入穩(wěn)定階段,兩幫及頂?shù)鬃冃嗡俾手饾u降至0。巷道開掘110 d內(nèi)的兩幫變形量為382 mm,頂?shù)鬃冃瘟繛?02 mm,頂板的總下沉量為78 mm。頂板深部0~6 m范圍內(nèi),多點(diǎn)位移計(jì)各測點(diǎn)的絕對變形量均為78 mm,從而可知頂板6 m范圍內(nèi)各層巖體之間沒出現(xiàn)離層,頂板屬于整體下沉。
1)通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析確定2303工作面三軟煤層護(hù)巷窄煤柱的合理寬度為5 m。
2)由“頂板—兩幫—支護(hù)體”組成的聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)決定著巷道的穩(wěn)定,通過建立矩形巷道聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,指出該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與圍巖的性質(zhì)、巷道的規(guī)格及錨桿的性質(zhì)有關(guān),結(jié)合數(shù)值模擬比較,確定了2303運(yùn)料巷窄煤柱護(hù)巷的支護(hù)參數(shù)。
3)2303運(yùn)料巷的礦壓觀測表明,5 m護(hù)巷煤柱下,基于聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的支護(hù)方案巷道變形量小,能夠滿足生產(chǎn)的需求,為三軟煤層沿空掘巷設(shè)計(jì)提供了參考。