厚煤層雙向凹字型布巷系統(tǒng)應(yīng)用研究

郭靈飛,趙曉暉

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.鑫達(dá)黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

厚煤層雙向凹字型布巷系統(tǒng)[1]是一種新型工作面巷道布置系統(tǒng)，工作面內(nèi)區(qū)段進(jìn)風(fēng)平巷、區(qū)段回風(fēng)平巷、開切眼和設(shè)備回撤巷等巷道均沿煤層中的穩(wěn)定層布置，在工作面長度方向和推進(jìn)方向上均形成凹字型，易于巷道掘進(jìn)與支護(hù)，利于瓦斯排放、減少煤柱寬度等優(yōu)點(diǎn)，該布巷系統(tǒng)示意如圖1所示。

本文將該布巷系統(tǒng)應(yīng)用到斜溝煤礦21采區(qū)，設(shè)計(jì)巷道錨固方案，確定工作面主要參數(shù)，分析巷道圍巖穩(wěn)定性以確定工作面參數(shù)和設(shè)計(jì)支護(hù)方式的合理性。

1 工程地質(zhì)概括

斜溝井田位于山西省興縣縣城以北50 km處嵐漪河兩側(cè)，行政區(qū)劃隸屬于興縣魏家灘鎮(zhèn)，局部位于保德縣南河溝鎮(zhèn)，其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)111°05′30″～111°08′33″，北緯38°32′40″～38°44′39″，區(qū)域構(gòu)造簡單，總體為一走向近南北傾向西的單斜構(gòu)造，傾角6～16°，局部為20°，斷裂少見，在區(qū)域的北西部有九元坪—楊家塔背斜和九元坪向斜。

圖1 厚煤層雙向凹字形巷道布置

試驗(yàn)采區(qū)為斜溝煤礦為21采區(qū)，南北長6.5～11.4 km，東西寬約2.0 km，面積約17.9 km2。工業(yè)儲(chǔ)量22 979萬t，可采儲(chǔ)量為18 103 萬t，所采13號(hào)煤層屬太原組下部，煤層厚度6.0～17.0 m，平均14.0 m，平均埋深400 m，煤層傾角平均10°，具有爆炸性，不易自燃，屬低瓦斯礦井，從30個(gè)鉆孔柱狀圖上看，整個(gè)煤層存在3層比較穩(wěn)定夾矸，煤層結(jié)構(gòu)為3.55(0.3)4.15(0.4)3.35(0.25)2.0。

工作面采用綜放一次采全厚工藝。

2 厚煤層雙向凹字型布巷的工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

斜溝煤礦21采區(qū)工作面巷道為5 000 mm×4 000 mm矩形巷道，支護(hù)設(shè)計(jì)斷面示意如圖2所示，具體支護(hù)參數(shù)如下：

頂板錨桿高強(qiáng)度錨桿螺紋鋼，直徑20 mm，長度2 200 mm，間排距950 mm×900 mm，距巷幫125 mm，邊錨桿向巷幫側(cè)傾斜20°，每排布置6根頂板錨桿。

頂板錨索采用7股鋼絞線，直徑17.8 mm，長度8 000 mm，間排距1 425 mm×1 800 mm，距巷幫1 075 mm，邊錨索向巷幫側(cè)傾斜20°，采用300 mm×300 mm×16 mm的穹形多功能鋼板托板。

頂板網(wǎng)采用12號(hào)鉛絲編制的40 mm×40 mm的菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片尺寸為4 400 mm×1 000 mm，網(wǎng)片間搭接100 mm，每隔200 mm聯(lián)網(wǎng)兩道。

兩幫錨桿采用高強(qiáng)度錨桿螺紋鋼，直徑20 mm，長度2 200 mm，間排距850 mm×900 mm，上部錨桿距頂板300 mm，并向上傾斜20°，下部錨桿距底板300 mm，并向下傾斜20°。

兩幫網(wǎng)采用12號(hào)鉛絲編制的40 mm×40 mm的菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片尺寸為3 000 mm×1 000 mm。網(wǎng)片間搭接100 mm，每隔200 mm聯(lián)網(wǎng)兩道。

圖2 巷道支護(hù)斷面(mm)

3 厚煤層雙向凹字型布巷的工作面主要參數(shù)的研究

3.1 厚煤層雙向凹字型布巷的穩(wěn)定層位置的確定

21采區(qū)開采13號(hào)煤層，13號(hào)煤層結(jié)構(gòu)為3.55(0.3)4.15(0.4)3.35(0.25)2.0，由此可知，在距煤層底板3.85 m、8 m、12 m的位置分別賦存有1層較穩(wěn)定的夾矸，可以作為穩(wěn)定層位置的選擇。距煤層底板3.85 m的0.3 m夾矸層基本位于機(jī)采范圍，且巷道高度4 m，不宜選擇穩(wěn)定層的位置。

《厚煤層雙向凹字型布巷系統(tǒng)的穩(wěn)定層位置研究》[2]中研究表明，影響穩(wěn)定層位置選擇的因素有：煤體不同層位的強(qiáng)度和裂隙；煤層中較穩(wěn)定夾矸的厚度和位置；煤炭回收率；巷道頂板錨索是否能進(jìn)入堅(jiān)硬致密的巖層等，并考慮對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響。最終確定穩(wěn)定層位置為距煤層底板8 m。

3.2 厚煤層雙向凹字型布巷的工作面長度的確定

《厚煤層雙向凹字型布巷系統(tǒng)的工作面長度研究》[3]中研究表明：

1) 當(dāng)穩(wěn)定層距煤層底板8 m時(shí)，要使工作面長度方向煤炭損失率小于2%，工作面長度需大于200 m。

2) 工作面長度在0～300 m之間時(shí)，隨著長度的增加，工作面煤壁前方支承應(yīng)力明顯增加，對(duì)頂煤破碎起到明顯效果，工作面超過300 m后，工作面前方支承應(yīng)力增值變化緩和，幾乎沒有明顯增加，當(dāng)工作面長度為300 m時(shí)，沿工作面全長支承壓力峰值大于煤的單軸抗壓強(qiáng)度的區(qū)段所占比例分別為80.5%.

結(jié)合21采區(qū)賦存實(shí)際、工作面產(chǎn)能以及采放工藝等影響因素，最終確定工作長度為300 m。

3.3 厚煤層雙向凹字型布巷的工作面推進(jìn)長度的確定

厚煤層雙向凹字型巷道布置采煤方法沿工作面推進(jìn)方向下切、變平和上爬采煤，在初采和末采均遺留了三角煤，而且在初采期間因支承壓力小，頂煤不易垮落，或垮落塊度過大，均不易放出，固有8～12 m左右的頂煤被丟失在采空區(qū)。通過推進(jìn)方向上的煤炭損失率反算工作面的推進(jìn)長度。

1) 工作面的初采損失率：

當(dāng)3.732(Hw-b)≤Lc時(shí)，初采損失率為：

(1)

當(dāng)3.732(Hw-b)>Lc時(shí)，初采損失率為：

(2)

2) 工作面的末采損失率：

當(dāng)3.732(Hw-b)≤Lm時(shí)，末采損失率為：

(3)

當(dāng)3.732(Hw-b)>Lm時(shí)，初采損失率為：

(4)

3) 工作面初末采損失率：

ηcm=ηc+ηm

(5)

公式(1)～(5)中：ηcm為工作面的初末采損失率；ηc為工作面初采損失率；ηm為工作面末采損失率；Hw為穩(wěn)定層距煤層底板的距離，m；n為放煤比率；Hd為損失的頂煤厚度,m；H為煤層厚度，m；Lc為初采工作面的推進(jìn)長度,m；Lt為工作面的總推進(jìn)長度，m；Lm為末采工作面的推進(jìn)長度，m。

從初末采損失率計(jì)算公式(5)可以看出，隨著工作面推進(jìn)長度的增加，初末采損失率減少，由公式(5)可以反推出，要使初末采損失率小于2%時(shí)，工作面需推進(jìn)的長度最小。

結(jié)合21采區(qū)的賦存實(shí)際，確定工作面一翼的推進(jìn)長度3.2～5.5 km，初末采損失率小于2%.

3.4 厚煤層雙向凹字型布巷的區(qū)段煤柱寬度的確定

《厚煤層雙向凹字型布巷系統(tǒng)區(qū)段煤柱合理寬度研究》[4]中分析了不同煤柱寬度下，工作面巷道掘進(jìn)期間的屈服破壞、垂直和水平應(yīng)力和頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?，以及巷道采?dòng)期間的頂?shù)装搴蛢蓭鸵平?，由其研究成果可得，斜溝煤礦21采區(qū)厚煤層雙向凹字型布巷的區(qū)段煤柱合理寬度為8 m。

4 厚煤層雙向凹字型布巷支護(hù)方案和工作面參數(shù)合理性的數(shù)值模擬研究

本次模擬采用FLAC3D，以斜溝煤礦13號(hào)煤層頂?shù)装宓牡刭|(zhì)力學(xué)參數(shù)為基本依據(jù)。區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷和區(qū)段回風(fēng)巷均為寬×高=5 m×4 m的矩形巷道，均沿煤層的穩(wěn)定層掘進(jìn)，穩(wěn)定層位置距煤層底板8 m，區(qū)段煤柱留設(shè)8 m，工作面長度300 m。

由于對(duì)稱性在數(shù)值模擬中取一半，模型的長×寬×高=158 m×140 m×99.6 m，模型劃分55 860個(gè)單元，61 620個(gè)結(jié)點(diǎn)。

4.1 掘進(jìn)期間的圍巖穩(wěn)定性

4.1.1 圍巖的屈服破壞特征

圖3為巷道圍巖屈服破壞特征。頂板小范圍內(nèi)出現(xiàn)破壞，破壞深度0.5 m，兩幫僅在上下角部分出現(xiàn)破壞，破壞深度0.5 m，底板破壞深度為0.53 m。從屈服破壞單元分布上看，巷道在所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案和工作面參數(shù)下，十分穩(wěn)定。

圖3 掘進(jìn)期間屈服破壞單元分布

4.1.2 圍巖的位移特征

在巷道掘進(jìn)期間，頂?shù)装逡平繛?.98 mm，兩幫移近量為0.33 mm。

從屈服破壞、應(yīng)力分布以及頂?shù)装搴蛢蓭鸵平縼砜?，掘進(jìn)期間，巷道在所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案和工作面參數(shù)下，十分穩(wěn)定。

4.2 采動(dòng)期間的圍巖穩(wěn)定性

圖4為超前煤壁50 m、10 m處巷道圍巖的屈服破壞單元，圖5為巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平侩S回采工作面煤壁至巷道測點(diǎn)距離變化的曲線。

圖4 超前煤壁不同距離處，屈服破壞單元分布

圖5 頂?shù)装搴蛢蓭鸵平侩S工作面煤壁距巷道測點(diǎn)距離的變化

由圖4可知，巷道圍巖的破壞隨著超前煤壁距離的減少，頂板、兩幫的破壞程度都在增大；超前煤壁10 m時(shí)，頂板破壞深度1.5 m，兩幫破壞深度1.5 m，底板破壞深度1.3 m，破壞區(qū)域均在錨桿控制范圍內(nèi)，圍巖是穩(wěn)定的；由圖5可知，在從采動(dòng)過程中，頂?shù)装逡平吭?.98～41.12 mm之間變化，兩幫移近量在0.33～12.79 mm之間變化，都在巷道允許的變形范圍內(nèi)；說明所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案和工作面參數(shù)是合理可靠的。

5 結(jié) 語

1) 設(shè)計(jì)了斜溝煤礦21采區(qū)的5 m×4 m巷道支護(hù)方案；

2) 確定了斜溝煤礦21采區(qū)厚煤層雙向凹字型布巷的工作面主要參數(shù)：針對(duì)斜溝煤礦21采區(qū)煤層賦存情況，確定了穩(wěn)定層距煤層底板8 m，工作面長度300 m，確定工作面一翼的推進(jìn)長度3.2～5.5 km，工作面區(qū)段煤柱寬度8 m，此時(shí)工作面端頭煤損失率和初末損失率均小于2%，頂煤破碎率大于80.5%；

3) 應(yīng)用數(shù)值模擬分析了厚煤層雙向凹字型布巷的巷道穩(wěn)定性，通過研究掘進(jìn)期間和采動(dòng)期間圍巖破壞程度和位移特征，表明所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案和工作面參數(shù)是合理的。