謝小平,黃宇琪,魏中舉
(六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院,貴州六盤水553004)
某煤礦位于六盤水市境內(nèi),該煤礦井田局部可采及可采煤層共 9 層(2#、3#、4#、5#、7#、8#、9#、11#、12#煤層),煤層總厚度在5.55 m~18.48 m之間,設(shè)計(jì)全區(qū)開采4#、8#、11#煤層,共3層煤,煤層傾角在7o~10o之間,該礦井屬于高突煤層群開采條件。設(shè)計(jì)礦井年產(chǎn)能為90萬t。該煤礦4#煤層40403、40405工作面開采時,其下方工作面為40803工作面。40403工作面走向和傾斜平均長度分別為400 m和118 m,工作面埋深約為355 m,工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的標(biāo)高分別為+1723 m、+1692 m。40403試驗(yàn)工作面范圍內(nèi)4#煤層地質(zhì)構(gòu)造簡單,產(chǎn)狀較穩(wěn)定,煤層厚度平均為1.6m,傾角平均為9°,容重1.5 t/m3。40403工作面初步設(shè)計(jì)回風(fēng)巷實(shí)施切頂沿空留巷將其進(jìn)行保留作為下個工作面的運(yùn)輸巷,進(jìn)而工作面形成Y型通風(fēng)?;仫L(fēng)巷寬度和高度分別為3.4 m、2.3 m,支護(hù)方式為“錨+梁+噴”。
通過切縫[1-6]隔斷了懸露頂板力的傳遞,降低了頂板側(cè)向懸臂的長度,巷道上覆巖層通過緩慢擠壓直接頂垮落巖層,將力傳遞到巷道頂板和支護(hù)體上,通過切縫的隔斷作用,巷旁支護(hù)體和沿空巷道的力學(xué)環(huán)境得到明顯改善。
圖1 不同時期沿空留巷側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)狀態(tài)
研究[1-6]表明:沿空留巷頂板切縫高度與改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)有直接關(guān)系,在一定范圍內(nèi)隨著切縫高度的增加,對于改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)越有利,但是當(dāng)切縫高度超過一定范圍后,將不利于改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài),并會對沿空留巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)構(gòu)成不利的影響。根據(jù)該煤礦40403工作面覆巖條件,4#號煤層上方第一層頂板巖層(砂質(zhì)泥巖)冒落活動空間S1為6.22 m,m1(中粒砂巖)冒落后的充填厚度KAm1為6.468 m,因KAm1×m1>S1,故m1巖層不完全冒落,所以最優(yōu)的頂板預(yù)裂深度在4.4 m范圍內(nèi)。
根據(jù)40403工作面現(xiàn)場開采條件及其頂板巖層條件,初步設(shè)計(jì)切縫炮孔深度為4.4 m。在巷道非采幫側(cè)與切頂錨索相距400 mm處布置炮眼,炮孔與垂直方向夾角為5°~30°,向巷道非采幫略傾斜。為保證預(yù)裂切縫的效果,在炮孔施工時要嚴(yán)格控制炮孔質(zhì)量和設(shè)計(jì)參數(shù)。炮孔深度確定為:
式(1)中,h為煤層采高,取1.6 m;H為頂板裂隙深度,取4.4 m;γ為碎脹系數(shù),取1.4。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得炮孔深度初步設(shè)計(jì)4.4 m能滿足切頂后需要。
為消除煤柱下方被保護(hù)層中未卸壓的區(qū)域,及充分回采煤炭資源,對該煤礦4#煤進(jìn)行切頂留巷開采。該煤礦4#煤保護(hù)層開采后,根據(jù)底板裂隙發(fā)育情況,將其劃分為三區(qū)兩帶[1-6]:沿工作面推進(jìn)方向上,底板應(yīng)力集中區(qū)、降低區(qū)和恢復(fù)區(qū),底板變形帶和裂隙帶,如圖2所示。
圖2 下伏煤巖層應(yīng)力分區(qū)及裂隙發(fā)育示意圖
在貴州礦區(qū)現(xiàn)場實(shí)踐的無煤柱沿空留巷技術(shù)中,常采用留煤墩、巷旁充填充填料及巷旁砌筑料石的沿空留巷技術(shù),這樣的無煤柱沿空留巷容易出現(xiàn)巷旁煤體、充填墻體或砌筑塊體在礦山壓力作用下發(fā)生壓裂、外鼓等變形破壞,且通常會出現(xiàn)巷道非采煤幫片幫嚴(yán)重、范圍大、底臌量大等情況,大大增加了沿空巷道后期的維護(hù)費(fèi)用,并影響生產(chǎn)安全。 為了提前對 7#、8#、9#、11#煤層進(jìn)行卸壓,研究決定先行對4#較薄煤層進(jìn)行保護(hù)層開采,工作面回采巷道設(shè)計(jì)采用預(yù)裂爆破切頂一次成巷,如圖3所示。
圖3 切頂預(yù)裂沿空留巷無煤柱開采
在煤層群開采中,原煤柱下方被保護(hù)層中未卸壓的區(qū)域消失,消除了卸壓盲區(qū)。結(jié)合圖3a、圖2b工作面留煤柱和無煤柱開采卸壓機(jī)理和進(jìn)行分析,通過去除現(xiàn)場斷層、褶皺等地質(zhì)條件的影響,并對煤層厚度和波動起伏情況進(jìn)行簡化,進(jìn)而推導(dǎo)出理論計(jì)算卸壓盲區(qū)體積的公式[1-6]:
式(2)中,V為下被保護(hù)層中未卸壓范圍的體積,m3;l為保護(hù)煤層與被保護(hù)煤層間的垂距,m;d和L分別為煤柱寬度和長度,m;δ1和δ2為分別為保護(hù)層上下兩端的卸壓角,(o);H為保護(hù)層采高1 m。
采用UDEC4.0模擬軟件[1-6]進(jìn)行模擬分析,以揭示4#煤層開采后頂?shù)装鍘r層的應(yīng)力、位移及裂隙的分布規(guī)律,分析保護(hù)層無煤柱開采實(shí)現(xiàn)鄰近被保護(hù)層的全面卸壓效果。此次模擬以該礦4#煤層40403工作面為背景,構(gòu)建數(shù)值模型尺寸為400 m×100 m(長×高)。模型中4#煤層厚度平均為1.6 m,傾角平均為9°,其下方7#、8#、11#煤層分別在垂距8.8 m、18.2 m、53.48 m處,煤厚分別為1.8 m、2.32 m和2.8 m。該煤礦40403工作面埋深約340 m,通過計(jì)算模型上覆巖層的自重得出應(yīng)在模型上邊界施加載荷8.1 MPa。設(shè)計(jì)三種模擬方案:工作面留煤柱寬度分別為0 m、20 m、30 m。
在數(shù)值模型中4#煤層水平軸坐標(biāo)20 m處布置開切眼,從左至右開挖兩個保護(hù)層工作面,相鄰兩工作面間留設(shè)煤柱分別為0 m、20 m、30 m,在下方7#、8#被保護(hù)層中布置觀測線,數(shù)值模擬下部煤層垂直位移變形情況如圖4所示。
圖4 下部煤層垂直位移變形曲線
根據(jù)圖4分析可得:當(dāng)煤柱寬度為20 m和30 m時,下方的7#和8#被保護(hù)層的最大壓縮變形率值在5.82‰~7.78‰范圍;當(dāng)煤柱寬度為0 m時,7#、8#煤層最大膨脹變形值在2.03‰~2.13‰范圍,原留煤柱下方的煤層壓縮變形區(qū)消失,消除了卸壓盲區(qū)。
隨著煤柱寬度的增加下被保護(hù)層中卸壓盲區(qū)(膨脹率小于3‰的范圍)也隨之增大。當(dāng)煤柱寬度分別為20 m、30 m時,下方的7#和8#被保護(hù)層卸壓盲區(qū)沿煤層傾斜方向的寬度分別為38 m和45 m;而當(dāng)煤柱寬度為0 m時,在被保護(hù)層中卸壓盲區(qū)消失。據(jù)此也可判斷當(dāng)保護(hù)層采用無煤柱(煤柱寬度0 m)開采時,下被保護(hù)煤層中無卸壓盲區(qū),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全面卸壓。
太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2021年7期