特厚煤層沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化及巷道支護設(shè)計

王少卿

(晉能控股山西科學技術(shù)研究院， 山西 太原 030006)

區(qū)段護巷煤柱能夠隔離相鄰的采空區(qū)與工作面，避免采空區(qū)對下區(qū)段工作面回采造成影響。巷道在掘進或回采過程中，煤柱寬度過大，雖然有利于巷道的保持，但浪費了煤炭資源；煤柱寬度過小，會降低煤柱自身穩(wěn)定性，導(dǎo)致巷道支護困難。因此，設(shè)定合理的區(qū)段護巷煤柱寬度，是控制工作面巷道圍巖變形，提高回采巷道穩(wěn)定性，提高一次性資源利用率的關(guān)鍵途徑[1-3]. 為降低煤柱寬度，減少煤炭資源浪費，張鵬鵬等[4]應(yīng)用采空側(cè)基本頂斷裂力學模型，計算出煤柱寬度的合理區(qū)間。趙賓等[5]認為煤柱穩(wěn)定性主要受上方基本頂斷裂及采動活動的影響，采用“象限法”減小區(qū)段護巷煤柱寬度。楊艷軍[6]采用UDEC數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實際進行研究,揭示了不同護巷煤柱寬度對采空側(cè)巷道圍巖側(cè)向支承應(yīng)力分布的影響。

1 工程背景

山西省寧武煤田朔南礦區(qū)麻家梁煤礦采用綜采長壁放頂煤采煤法。其中4號煤層為主采煤層，位于山西組下部，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～9層夾矸。煤層傾角5°左右，屬緩傾斜煤層，煤層厚度9～10 m，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。煤種為中灰、低硫。低磷、中高熱值的長焰煤，是很好的動力、煉油、食品和釀造業(yè)用煤。煤層瓦斯含量小，便于開采，礦井條件十分優(yōu)越。

14205工作面順序開采單巷掘進，留19.5 m區(qū)段煤柱，鄰近工作面輔運巷受上區(qū)段工作面采空區(qū)影響，礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道變形嚴重幾乎閉合。開采實踐表明，為避開強采動影響，合理的區(qū)段煤柱寬度至少為50 m，有中間廢棄巷道時合理的區(qū)段煤柱寬度甚至為60 m，對煤炭資源造成浪費。因此，亟需優(yōu)化區(qū)段護巷煤柱寬度，提高綜放開采的煤炭資源回收率。14205工作面布置見圖1.

圖1 14205工作面布置示意圖

2 14205工作面煤柱寬度優(yōu)化方案設(shè)計

2.1 數(shù)值模擬方案

根據(jù)麻家梁煤礦工程地質(zhì)條件及地應(yīng)力測試的結(jié)果，對14204工作面采空區(qū)與14205工作面之間輔運巷合理護巷煤柱寬度的留設(shè)，通過FLAC3 D軟件數(shù)值模擬，分析不同煤柱寬度條件下，煤柱自身穩(wěn)定性和煤柱側(cè)向低應(yīng)力區(qū)域范圍。

模型長、寬、高分別設(shè)定為120 m、100 m、65 m，單元格84 462，各巖層力學參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場所取巖塊經(jīng)實驗室力學實驗測試結(jié)果，材料力學變形特征符合“摩爾-庫倫”型[7]. 上表面應(yīng)力值按照煤層埋深560 m時上覆煤巖層自重載荷計算；底邊界固定于垂直方向，兩側(cè)邊界和前后邊界均固定于水平方向。跳采工作面回采巷道模擬寬度為5.5 m，高度為3.8 m.

基于4 m、7 m、12 m、17 m四種不同的煤柱寬度分別建立模型進行模擬，數(shù)值模擬中各巖層的力學參數(shù)參考實驗室煤巖石力學實驗結(jié)果，結(jié)合各巖層的物理力學參數(shù)，通過計算各巖層所承受的剪應(yīng)力與其抗剪強度的差值，判斷各巖層何時發(fā)生剪切破壞。

(1)

式中，fs為剪應(yīng)力與抗剪強度差值；σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力，c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角。當fs<0時，材料將發(fā)生剪切破壞。

該模型中各巖層的力學參數(shù)見表1.

表1 巖層的物理力學參數(shù)表

2.2 工作面應(yīng)力分布規(guī)律

2.2.1 掘進期間應(yīng)力分布特征

掘進期間不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)垂直方向應(yīng)力分布云圖見圖2.

1) 垂直應(yīng)力分布特征。

由圖2分析得知，煤柱寬度為4 m，受上工作面開采和巷道開挖擾動的影響，煤柱破碎嚴重，不具備承載能力。煤柱寬度為7 m，其內(nèi)部最大垂直應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，形成一定的承載區(qū)域；此后隨煤柱寬度增加，承載能力逐漸提高。煤柱寬度為12 m時，最大應(yīng)力為22 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，垂直應(yīng)力明顯高于原巖應(yīng)力，煤柱的承載能力明顯增強；煤柱寬度為17 m，煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力為26 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.9，煤柱承受的壓力過大。因而煤柱寬度為7～12 m為宜。

圖2 掘進期間不同煤柱寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力云圖

2) 水平應(yīng)力分布特征。

由圖2分析得知，煤柱寬度為4 m、7 m、12 m、17 m時，煤柱中水平應(yīng)力均明顯小于垂直應(yīng)力。垂直應(yīng)力是使煤柱保持穩(wěn)定的關(guān)鍵。因此，煤柱寬度在7～12 m時，在煤柱中部有明顯的高應(yīng)力分布，形成穩(wěn)定的承載區(qū)域，此時最大水平應(yīng)力為8 MPa，有利于煤柱的穩(wěn)定。

2.2.2 回采期間應(yīng)力分布特征

回采期間不同煤柱寬度下巷道圍巖內(nèi)垂直方向應(yīng)力分布云圖見圖3.

圖3 回采期間不同煤柱寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力云圖

受本工作面超前支承應(yīng)力和上一工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力共同影響，回采階段煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力隨煤柱寬度的增加而增大，在巷道實煤體側(cè)，煤體內(nèi)垂直應(yīng)力逐漸減小但變化幅度較小，應(yīng)力值基本保持穩(wěn)定。

煤柱寬度為4 m，其內(nèi)部垂直應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，不具備承載能力。煤柱寬度為7～12 m，其內(nèi)部垂直應(yīng)力顯著高于原巖應(yīng)力，應(yīng)力集中系數(shù)接近2，應(yīng)力峰值向煤柱內(nèi)轉(zhuǎn)移，形成顯著承載區(qū)域。煤柱寬度大于17 m，其內(nèi)部垂直應(yīng)力值升高，應(yīng)力集中系數(shù)過大，易造成煤柱失穩(wěn)，巷道變形。

2.2.3 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)以及巷道周圍塑性區(qū)分布情況見圖4.

圖4 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征圖

煤柱寬度為4 m，底板破壞范圍和破壞形式基本對稱，淺部主要為拉伸破壞，深部主要為剪切破壞。煤柱寬度為7 m，煤柱左右邊緣主要為拉伸破壞，內(nèi)部主要為剪切破壞，且內(nèi)部剪切破壞范圍隨著煤柱的增大而增大。由此可以看出，承載能力隨著煤柱變寬在緩慢增強。隨煤柱寬度的進一步增加，中部煤柱深度剪切破壞，煤柱穩(wěn)定區(qū)域擴大，承載能力提高。煤柱寬度為12 m，底板深度破壞區(qū)發(fā)育范圍縮小，煤柱對底板破壞強度減弱。底板巖層破壞范圍和破壞形式對稱，淺部主要為拉伸破壞，深部主要為剪切破壞。

2.3 合理煤柱寬度的確定

綜上所述，通過比較4 m、7 m、12 m、17 m四種不同煤柱寬度條件下煤柱內(nèi)水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力的分布特征，巷道圍巖及煤柱內(nèi)塑性區(qū)的分布特征，確定合理煤柱寬度為7～12 m.

3 14205輔運巷錨桿支護參數(shù)設(shè)計

3.1 數(shù)值模擬方案

根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件以及麻家梁煤礦現(xiàn)有的支護材料參數(shù)，利用有限差分軟件FLAC3D軟件建立了數(shù)值模擬模型，見圖5，模型上邊界視為均布載荷，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。

圖5 巷道支護數(shù)值計算模型圖

針對14205輔運巷掘巷期間的具體條件，提出5種輔運巷支護參數(shù)方案，具體比較方案見表2，其中頂部和兩幫錨桿規(guī)格為d22 mm、L2 400 mm、BHRB500的高強讓壓錨桿；頂錨索規(guī)格為d21.8 mm、L9 000 mm的19股鋼絞線錨索，煤柱幫錨索規(guī)格為d21.8 mm、L6 300 mm的19股鋼絞線錨索。

表2 不同方案巷道支護參數(shù)比較表

3.2 掘巷階段圍巖變形規(guī)律分析

不同支護參數(shù)下，掘巷階段巷道圍巖垂直位移和水平位移變化見圖6.

掘巷階段，不同錨桿支護參數(shù)下巷道圍巖整體變形量不大。支護參數(shù)由方案1改變到方案3時，巷道頂板及兩幫錨索、錨桿間排距逐漸減小，支護強度逐漸增加，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平恐饾u減小，頂?shù)装逡平繙p小160 mm左右，兩幫移近量減小140 mm左右，變化較為明顯；巷道支護方案由方案3過渡至方案5時，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平炕緹o變化。由此可知，方案3即可滿足支護強度要求。

3.3 回采階段圍巖變形規(guī)律分析

不同支護參數(shù)下，回采階段巷道圍巖垂直位移變化見圖7.

回采階段，不同錨桿支護參數(shù)下巷道圍巖變形量有較大差別。支護參數(shù)由方案1改變到方案4，巷道底鼓量和頂板下沉量明顯減小，巷道頂?shù)装逡平看蠓冉档?。支護參數(shù)方案4與方案5相比較，巷道底鼓量、頂?shù)装逡平炕緹o變化。

圖7 回采期間不同支護方案巷道位移變化曲線圖

考慮圍巖錨固體的承載能力和經(jīng)濟效益，最終確定回采階段的錨桿支護方案為方案4.

3.4 巷道支護方案與錨桿參數(shù)的確定

由于14205工作面輔運巷支護參數(shù)要同時滿足掘進階段和本工作面回采階段的正常生產(chǎn)需求，因此選取支護強度更高的方案4作為最終方案，具體巷道支護斷面圖見圖8.

圖8 14205工作面輔運巷錨桿錨索支護斷面圖

巷道支護參數(shù)包括材質(zhì)、直徑、錨固長度、間排距、預(yù)緊力等。

1) 材質(zhì)、直徑和錨固長度。

頂部和兩幫錨桿采用d22 mm、L2 400 mm、BHRB500的高強讓壓錨桿，尾部配套使用規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的碟形鋼托盤。頂板W鋼帶規(guī)格5 200 mm×280 mm×3 mm，幫部W鋼帶規(guī)格為300 mm×300 mm×3.75 mm；頂板錨索規(guī)格為d21.8 mm、L9 300 mm的19股鋼絞線錨索，錨索尾部配套使用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的碟形鋼托盤；煤柱幫錨索規(guī)格為d21.8 mm、L6 300 mm的19股鋼絞線錨索，錨索尾部配套使用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的碟形鋼托盤。

2) 間排距。

頂板錨桿間排距為900 mm×800 mm；兩幫錨桿間排距為800 mm×800 mm；頂板錨索間排距為1 800 mm×1 600 mm；煤柱幫錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm.

3) 預(yù)緊力。

選擇錨桿預(yù)緊力為錨桿屈服載荷的30%～50%. 因此，螺紋鋼錨桿預(yù)緊扭矩不低于200 N·m. 錨索的預(yù)緊力應(yīng)更大，根據(jù)我國煤礦巷道條件和現(xiàn)有錨索規(guī)格及張拉設(shè)備，錨索預(yù)緊力一般為其拉斷載荷的40%～70%. 因此，確定錨索預(yù)緊力不低于10～12 t.

4) 網(wǎng)格材質(zhì)及規(guī)格。

頂板和煤柱側(cè)使用d6 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格規(guī)格100 mm×100 mm，實體煤幫采用8#鉛絲網(wǎng)?；炷恋仄汉穸?00 mm，強度C30.

4 結(jié) 論

1) 麻家梁煤礦14205輔運巷原煤柱留設(shè)寬度為19.5 m，巷道圍巖變形較大。通過數(shù)值模擬確定合理煤柱寬度為7～12 m. 此時側(cè)向煤體處于應(yīng)力降低區(qū)，變形較小且趨于穩(wěn)定，能夠控制巷道圍巖變形，有效提高煤炭采出率。

2) 利用有限差分軟件FLAC3D軟件建立數(shù)值模擬模型，比較5種不同支護方案下，掘巷和回采兩階段圍巖變形規(guī)律，確定方案4為最終巷道支護方案。