斜溝煤礦厚煤層無煤柱自成巷關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

周 超

(山西焦煤西山煤電斜溝礦，山西 呂梁 033600)

目前，“110”工法已在我國(guó)多種類型地質(zhì)條件下進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)及實(shí)踐，研究重點(diǎn)在于該技術(shù)的參數(shù)設(shè)計(jì)、礦壓特征等[1-2]，可為各類礦井引入該技術(shù)提供參考。斜溝煤礦目前采用留設(shè)大煤柱的沿空掘巷方式進(jìn)行生產(chǎn)，存在諸多問題：①留設(shè)大煤柱造成了資源的大量浪費(fèi)；②超長(zhǎng)工作面導(dǎo)致采掘接續(xù)緊張；③超長(zhǎng)工作面導(dǎo)致掘巷成本加大；④常規(guī)支護(hù)材料不具備“大變形”特性，容易引發(fā)巷道變形破壞。針對(duì)以上問題，提出了厚煤層無煤柱自成巷開采方法，研究成果將從根本上解決資源浪費(fèi)、采掘失衡以及巷道變形等問題。

1 工作面概況

18505工作面位于15采區(qū)北中部，東側(cè)、南側(cè)為實(shí)煤區(qū)，切割北側(cè)及東側(cè)附近存在原扒樓溝煤礦8號(hào)煤越界采掘破壞區(qū)域，北側(cè)247.8 m是斜溝煤礦井田邊界，西側(cè)為已回采完畢的18503工作面；地面標(biāo)高1 040～1 212 m，工作面標(biāo)高831～987 m，蓋山厚度108～329 m.工作面面積915 558 m2，工業(yè)儲(chǔ)量5.47萬t，8號(hào)煤層厚度2.6～5.9 m，平均煤厚4.35 m.留巷對(duì)象為18505材料巷，留巷長(zhǎng)度約1 600 m，如圖 1 所示。18505 工作面煤層上覆巖層依次為厚度平均1.84 m的泥巖、7.89 m的中細(xì)粒砂巖，底板巖層依次為平均厚度0.95 m的砂質(zhì)泥巖和13.19 m的中粗粒細(xì)砂巖。

圖1 18505 材料巷留巷段位置示意(m)

2 留巷切頂及支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 切縫深度確定

切縫深度是否合理直接關(guān)系著卸壓以及采空區(qū)填充效果的好壞，正確的切縫深度不僅能滿足卸壓及采空區(qū)填充要求，而且經(jīng)濟(jì)合理[3]，采用理論計(jì)算使切縫深度滿足空區(qū)充填要求，與此同時(shí)采用數(shù)值模擬，使切縫深度滿足卸壓要求。

1) 理論計(jì)算。采空區(qū)切落巖層需及時(shí)垮落堆積形成新巷幫，理論計(jì)算公式為[4]：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(k-1)

(1)

式中：ΔH1為沿空巷道下沉量，m； ΔH2為底鼓量，m；k為碎脹系數(shù)，1.3～1.5，泥巖碎脹系數(shù)取1.3，砂巖碎脹系數(shù)取1.4，18505工作面頂板巖層多為砂巖，因此取1.4；18505工作面采高取4.52 m時(shí)，假設(shè)ΔH1、ΔH2均為0，計(jì)算得H縫=11 m，現(xiàn)場(chǎng)施工之前還需取巖芯，根據(jù)頂板巖性變化情況及時(shí)修正切縫高度。

2) 數(shù)值模擬。針對(duì)斜溝煤礦18505工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計(jì)算模型[5]，模擬工作面開挖尺寸為160 m×50 m×4.5 m，其中含頂板31.34 m，底板14.14 m.網(wǎng)格單元47 460個(gè)，節(jié)點(diǎn)55 132個(gè)。根據(jù)工作面附近的地質(zhì)鉆孔資料，模型自底向頂?shù)膸r性及厚度依次為：中粗粒砂巖13.19 m、泥巖0.95 m、煤4.52 m、泥巖1.88 m、中粗粒砂巖8.44 m、泥巖2.88 m、粗粒砂巖0.53 m、泥巖3.56 m、煤1.43 m、砂質(zhì)泥巖3.19 m、細(xì)粒砂巖1.51 m、炭質(zhì)泥巖0.25 m、煤0.16 m、粗粒砂巖7.56 m.根據(jù)礦方提供的8號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)研究報(bào)告，確定組成巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型巖層力學(xué)參數(shù)

模擬研究得到切頂高度為8～14 m時(shí)采場(chǎng)應(yīng)力分布特征，如圖2所示。

圖2 不同切縫深度下垂直應(yīng)力分布

從圖2可知，切頂高度對(duì)卸壓效果具有較顯著的影響。切縫深度為8 m時(shí)，沿空巷道煤幫一側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域的深度約為3 m；切縫深度為10 m時(shí)，煤幫內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)域的延伸深度擴(kuò)展為4.5 m；切縫深度12 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)范圍開始明顯變小，同時(shí)與巷幫距離約為4.0 m；當(dāng)切縫深度為14 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)范圍進(jìn)一步縮小。以上結(jié)果表明，切縫深度越大，實(shí)體煤壁內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)域距離巷道表面越遠(yuǎn)，當(dāng)切頂高度為12 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域距巷幫較遠(yuǎn)且影響范圍較小，有利于沿空巷道圍巖的穩(wěn)定，繼續(xù)增大切縫深度對(duì)于應(yīng)力集中情況的改善不明顯，并且切頂高度越大，施工難度越大、裝藥量越多。結(jié)合前文理論分析計(jì)算結(jié)果初步確定切縫深度為11 m.

2.2 切縫角度確定

一般來說，直接頂?shù)膹?qiáng)度較低且由于回采影響導(dǎo)致巖石性能進(jìn)一步弱化，切頂角度對(duì)直接頂垮落的影響較小。但當(dāng)切頂高度范圍內(nèi)包含基本頂巖層時(shí)，如果切頂角度選擇不當(dāng)，采空區(qū)頂板將不能順利垮落，預(yù)裂面外側(cè)巖塊仍然會(huì)與側(cè)向頂板接觸并向其施壓，將會(huì)導(dǎo)致卸壓不充分，影響相鄰巷道圍巖穩(wěn)定性[6]。

根據(jù)以往的研究可知，隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，基本頂達(dá)到極限跨距后斷裂成巖塊，破斷的巖塊由于水平擠壓力的作用相互咬合成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，端頭基本頂破斷成弧形三角塊后，也同樣形成了三鉸拱式的平衡結(jié)構(gòu)。此時(shí)，基本頂雖然已經(jīng)破斷，但相互抑制形成了穩(wěn)定的砌體結(jié)構(gòu)，仍能向側(cè)向煤巖體有效傳遞力的作用，從而影響沿空留巷圍巖的穩(wěn)定。當(dāng)采用切頂卸壓無煤柱自成巷工藝時(shí)，切縫面成為了關(guān)鍵塊A、B的咬合面，當(dāng)關(guān)鍵塊B沿切縫面產(chǎn)生滑落失穩(wěn)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)基本頂巖層的順利垮落和應(yīng)力傳遞路徑的有效切斷。根據(jù)砌體梁理論和圍巖結(jié)構(gòu)S-R穩(wěn)定原理可知，當(dāng)考慮基本頂巖層的斷裂面與垂直面成一定的角度θ時(shí)，巖塊咬合點(diǎn)的受力關(guān)系如圖3所示，此時(shí)巖塊發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件為：

圖3 切頂卸壓關(guān)鍵塊受力分析

(2)

式中:T為巖塊所受的水平推力，kN；R為巖塊所受的剪切力，kN；φ為巖塊間的摩擦角，°；θ為切頂角度，°.經(jīng)計(jì)算可知，當(dāng)煤層厚度H煤≤1 m時(shí)，θ=15～20°；當(dāng)煤層厚度H煤>1 m時(shí)，θ=10～15°.綜合上述分析，并結(jié)合以往的成功經(jīng)驗(yàn)，最終確定切縫深度為11 m，切縫孔布置在距正幫200 mm處，設(shè)計(jì)切縫角度為15°，切縫孔間距為500 mm.

2.3 恒阻大變形錨索設(shè)計(jì)方案

為提高留巷期間空巷頂板懸臂梁的穩(wěn)定性，減小巷道頂板的回轉(zhuǎn)下沉量，用高預(yù)應(yīng)力恒阻錨索作加強(qiáng)支護(hù)，其長(zhǎng)度計(jì)算公式為:

L≥La+Lb+Lc+Ld

(3)

式中：L為錨索總長(zhǎng)度，m；La為錨入堅(jiān)硬巖層長(zhǎng)度，取1.8 m；Lb為頂板不穩(wěn)定巖層的厚度，考慮切頂爆破時(shí)對(duì)于巷道頂板穩(wěn)定性的損傷影響，巷道不穩(wěn)定頂板巖層的厚度取11 m，故初步確定Lb取11 m；Lc為尾部托盤等構(gòu)件總厚度，取0.2 m；Ld為錨索張拉所需的外露長(zhǎng)度，取0.25 m.計(jì)算可得錨索長(zhǎng)度L=1.8+11+0.2+0.25=13.25 m.由此可知，頂板錨索長(zhǎng)度不應(yīng)小于13.25 m.錨索長(zhǎng)度取 13.3 m.錨索恒阻力為350 kN，原有支護(hù)錨索額定載荷為300 kN，已有4根原掘巷階段施工的長(zhǎng)錨索，考慮到巷道中的普通錨索、錨桿的支護(hù)效應(yīng)，最終確定恒阻錨索支護(hù)密度為3根/排，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需根據(jù)頂板巖性變化實(shí)時(shí)修正錨索設(shè)計(jì)參數(shù)。

確定18505材料巷圍巖變形的關(guān)鍵部位為切縫側(cè)，共布設(shè)3列恒阻錨索。第1列距采空區(qū)側(cè)700 mm，排距1 000 mm；第2列距第1列1 500 mm；第3列距第2列1 300 mm，距巷道副幫1 500 mm；第2列和第3列排距為2 000 mm.恒阻錨索支護(hù)圖如圖 4(a) 所示。同時(shí)，為控制留巷期間非采幫側(cè)煤層，增加非采幫側(cè)煤層強(qiáng)度，在非采煤幫側(cè)補(bǔ)打兩列6.3 m普通錨索，上排與水平夾角45°，排距2 000 mm，距離上幫800 mm，下排補(bǔ)打1列6.3 m普通錨索，水平施工，排距2 000 mm，距上排1 000 mm，與錨桿位置交替施工，如圖 4(b)所示。

圖4 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)示意(mm)

3 工程實(shí)踐效果分析

工作面回采期間將18505材料巷分為以下3個(gè)區(qū)段進(jìn)行分類支護(hù)：超前支護(hù)區(qū)(工作面前方30 m)，滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)(按照相似礦井經(jīng)驗(yàn)，推薦18505工作面初始按照架后0～200 m進(jìn)行滯后支護(hù))和成巷穩(wěn)定區(qū)見圖5(a).采用ZYDC19500/26/40型超前支架進(jìn)行工作面前方超前段的支護(hù)，滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)采用門式支架進(jìn)行支護(hù)，間距為1 m.采用兩層鋼筋網(wǎng)與可伸縮U 型鋼進(jìn)行聯(lián)合擋矸支護(hù)?？缮炜sU型鋼排距500 mm.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在預(yù)裂爆破作用下，采空區(qū)頂板巖層基本隨采隨冒，并未出現(xiàn)明顯的懸頂現(xiàn)象，成巷穩(wěn)定區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況如圖5(b)所示，整體切頂、留巷支護(hù)效果良好。

圖5 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語

以斜溝煤礦18505工作面工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索”為主體的無煤柱自成巷沿空留巷技術(shù)。通過理論分析及數(shù)值模擬，計(jì)算確定最佳切頂高度為11 m，切縫角度為15°，恒阻大變形錨索最佳長(zhǎng)度為13.3 m，恒阻錨索支護(hù)密度為3根/m，留巷期間超前支護(hù)區(qū)采用ZYDC19500/26/40 型超前支架支護(hù)，滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)采用門式支架進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)應(yīng)用階段巷道采空區(qū)側(cè)垮落情況及斷面收縮情況可知，所設(shè)計(jì)切縫高度、角度、恒阻錨索布置參數(shù)合理，切頂留巷效果良好。