堅(jiān)硬頂板切頂卸壓及沿空留巷支護(hù)方法研究

趙 偉

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 大陽煤礦分公司, 山西 晉城 048000)

隨著煤炭資源開發(fā)不斷向深部發(fā)展,復(fù)雜地質(zhì)條件及高應(yīng)力環(huán)境往往導(dǎo)致煤巷變形嚴(yán)重,支護(hù)效果不佳及巷道維修繁重等一系列問題,特別是堅(jiān)硬頂板巖層,容易導(dǎo)致冒頂災(zāi)害發(fā)生[1-3]. 對(duì)于長(zhǎng)臂式采煤工作面,如果留設(shè)大厚度煤柱,造成資源浪費(fèi)嚴(yán)重,如果掘進(jìn)速度滯后于回采速度,易導(dǎo)致產(chǎn)能無法有序銜接,為此切頂卸壓無煤柱自成巷開采技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-6]. 在這方面研究中,王傳繩[7]指出在低瓦斯、無沖擊地壓、近水平的薄及中厚煤層中,采用切頂卸壓技術(shù)進(jìn)行沿空留巷,技術(shù)可行與經(jīng)濟(jì)合理;鄭立軍等[8]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)切頂卸壓巷道頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究;周宏范等[9]對(duì)切頂卸壓與柔模支護(hù)技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新,留巷效果良好。綜合文獻(xiàn)分析,對(duì)于切頂卸壓沿空留巷的分析,主要集中在淺埋及破碎頂板條件的研究,而對(duì)于堅(jiān)硬頂板條件有待進(jìn)一步分析。本文以億欣煤礦堅(jiān)硬頂板工作面回采為工程背景,對(duì)切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)確定及支護(hù)方式進(jìn)行研究,保證該礦工作面安全高效開采。

1 工程概況

億欣煤礦15#煤層厚1.8～2.8 m,屬穩(wěn)定可采煤層,1306工作面標(biāo)高978～964 m,工作面傾向長(zhǎng)200 m,走向長(zhǎng)455 m,工作面傾角3°～8°,長(zhǎng)壁式采煤方法,垮落法控制頂板。工作面采用“110”工法自動(dòng)成巷技術(shù),將“一面雙巷”改變?yōu)椤耙幻鎲蜗铩辈删蚰Ｊ?即每采掘一個(gè)工作面只需掘進(jìn)一條巷道,而另一條采用切頂卸壓自動(dòng)成巷[10]. 該礦設(shè)計(jì)沿空留巷455 m,1306工作面情況見圖1.

圖1 1306工作面平面圖

根據(jù)巷道鉆孔窺視結(jié)果,對(duì)于1213巷不同位置的頂板灰?guī)r,厚度在8～12 m,且在4.5 m處原生節(jié)理發(fā)育,由于頂板比較堅(jiān)硬,可能出現(xiàn)大面積冒頂風(fēng)險(xiǎn),需從技術(shù)層面系統(tǒng)研究切頂卸壓開采中切頂參數(shù)及巷道支護(hù)問題,以實(shí)現(xiàn)安全高效開采。

2 切頂卸壓數(shù)值模擬分析

在切頂卸壓自動(dòng)成巷過程中,頂板結(jié)構(gòu)的調(diào)整會(huì)出現(xiàn)大變形,巷道圍巖將會(huì)發(fā)生屈服甚至塑性流動(dòng),利用FLAC3D軟件能夠較好地模擬出切頂條件下巷道圍巖應(yīng)力變形特征,得出合理的切頂參數(shù),為后續(xù)支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。考慮到模型邊界效應(yīng),三維模型尺寸為長(zhǎng)2504 m×寬250 m×高120 m,網(wǎng)格共劃分354 300個(gè)單元,模型底部和四周進(jìn)行位移約束,頂部施加載荷等效上覆巖層自重,礦山巖體力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

2.1 切頂高度對(duì)礦壓的影響

為分析切頂高度對(duì)礦壓的影響,分別模擬切頂高度為6 m、8 m與10 m時(shí)圍巖應(yīng)力與位移變化情況,模擬結(jié)果見圖2,3,4. 對(duì)于6 m切頂高度,沿空巷煤幫側(cè)應(yīng)力最高達(dá)42.5 MPa,頂板上方卸壓區(qū)顯著,該區(qū)域應(yīng)力最高達(dá)22.5 MPa;同時(shí)對(duì)頂板位移發(fā)展起到了一定的限制作用,頂板最大位移達(dá)650 mm,頂板下沉量較大。

圖2 6 m切頂高度應(yīng)力、位移云圖

圖3 8 m切頂高度應(yīng)力、位移云圖

對(duì)于8 m切頂高度,沿空巷煤幫側(cè)應(yīng)力最高達(dá)40 MPa,頂板上方卸壓區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,該區(qū)域應(yīng)力最高達(dá)17.5 MPa;頂板最大位移達(dá)400 mm,頂板變形量較6 m切頂高度有了明顯的降低,圍巖變形進(jìn)一步得到控制。

對(duì)于10 m切頂高度,沿空巷煤幫側(cè)應(yīng)力最高達(dá)35 MPa,頂板上方卸壓區(qū)最為顯著,該區(qū)域范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,應(yīng)力最高達(dá)12.5 MPa;頂板最大位移達(dá)250 mm,頂板變形量較8 m切頂高度降低約150 mm,頂板變形得到了良好的控制。

綜合分析,隨著切頂高度的增加,頂板卸壓區(qū)域也隨之增大,兩者呈正比例變化關(guān)系,同時(shí)煤幫及頂板所受最大應(yīng)力逐漸減小,圍巖變形量也隨之降低;較大的切頂高度值更有利于巷道圍巖的穩(wěn)定,實(shí)際工程應(yīng)用中選取10 m切頂高度較為合理。

2.2 切頂角度對(duì)礦壓的影響

切頂角度對(duì)巷道頂板變形發(fā)展具有一定影響,選取切頂高度10 m,分析切頂角度分別為0°、15°與30°條件下圍巖的應(yīng)力及位移變化情況。0°切頂角度數(shù)值結(jié)果見圖4,15°、30°條件下數(shù)值結(jié)果分別見圖5,6. 對(duì)于15°切頂角度,沿空巷煤幫側(cè)應(yīng)力最高達(dá)38 MPa,頂板上方卸壓區(qū)顯著,該區(qū)域應(yīng)力最高達(dá)15 MPa;頂板最大位移達(dá)360 mm,主要出現(xiàn)在近采空區(qū)側(cè),同時(shí)位于該側(cè)的低應(yīng)力區(qū)范圍要大于0°切頂角度,更有利于采空區(qū)頂板的垮落。

圖4 10 m切頂高度應(yīng)力、位移云圖

圖5 15°切頂角度應(yīng)力、位移云圖

圖6 30°切頂角度應(yīng)力、位移云圖

對(duì)于30°切頂角度,沿空巷煤幫側(cè)應(yīng)力最高達(dá)42.5 MPa,頂板上方卸壓區(qū)所在范圍的應(yīng)力最高達(dá)20 MPa;頂板最大位移達(dá)455 mm,主要出現(xiàn)在近采空區(qū)側(cè)。相比較前兩種切頂角度,圍巖應(yīng)力及頂板位移均有較大的增加,表明圍巖變形量也隨著增加,不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

綜合分析,隨著切頂角度的增加,圍巖應(yīng)力及頂板位移均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),達(dá)到一定程度后(30°切頂角度),將不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。0°切頂條件下,采空區(qū)側(cè)頂板位移較小,如果頂板斷裂冒落不充分,將導(dǎo)致較大的應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生,發(fā)生垮塌災(zāi)害;30°切頂條件下,頂板圍巖變形較大,不利于巷道的穩(wěn)定;15°切頂角度下,產(chǎn)生的位移及大范圍的低應(yīng)力區(qū)更有利于頂板充分垮落,對(duì)頂板巖層起到很好的支撐作用。為此,適當(dāng)?shù)那许斀嵌扔欣陧敯宄浞挚迓?對(duì)于該巷道切頂角度選取15°.

3 預(yù)裂切頂試驗(yàn)分析

考慮到該礦為堅(jiān)硬頂板條件,需對(duì)預(yù)裂切頂效果進(jìn)行試驗(yàn)分析,根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果,切頂高度取10 m,切頂角度取15°. 在1306輔巷內(nèi)進(jìn)行10 m(500 mm間距共計(jì)20孔)爆破實(shí)驗(yàn),并對(duì)爆破后的鉆孔進(jìn)行窺視,試驗(yàn)的10 m孔深裝藥方式為2+3+4+4+3+2,裝藥結(jié)構(gòu)見圖7. 進(jìn)行連孔爆破試驗(yàn)時(shí),采取4孔連接,單次爆破8個(gè)孔的起爆方式,孔內(nèi)裂縫發(fā)育情況見圖8,經(jīng)過觀察統(tǒng)計(jì),該裝藥及爆破方式,裂縫率可達(dá)85%以上,預(yù)裂效果明顯。

圖7 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 頂板表面切頂連孔效果圖

4 切頂卸壓沿空留巷支護(hù)方法

4.1 支護(hù)可行性分析

采用切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)時(shí),需要合理確定巷道端部的支護(hù)形式,以保證工作面的穩(wěn)定,充分的切頂阻力是保障巷道有效支護(hù)的必要條件。隨工作面的回采,支承壓力峰值表達(dá)式如下[11]:

(1)

式中:σ為支承壓力峰值,MPa;γ為巖層容重,kN/m3;hi為冒落帶內(nèi)第i層巖梁厚度,m;H為冒落帶內(nèi)巖梁總厚度,m;n為動(dòng)載系數(shù),其值一般不大于2.

(2)

將M=2.5 m,γ=25 kN/m3,K=1.35,n=1.5代入式(2)可得:

σ=0.321 MPa

取巷寬5.2 m,支護(hù)長(zhǎng)度1 m,巷內(nèi)支護(hù)所需最小支護(hù)阻力為:

Pmin=1 669.2 kN

為了提供足夠的支護(hù)強(qiáng)度及切頂能力,沿空留巷內(nèi)在留巷前期采用“π梁+單體支柱”,一個(gè)支護(hù)斷面一梁5柱,排距1000 mm,單體支柱工作阻力300 kN. 所以單位長(zhǎng)度內(nèi)巷內(nèi)支護(hù)所提供的支護(hù)阻力為:

P=1×5×300=1500 kN

由于每根恒阻錨索還能提供500 kN的預(yù)緊力,則P總=1500 kN+500 kN=2000 kN>Pmin. 因此,1213巷內(nèi)支護(hù)所提供的支護(hù)阻力能滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)要求。

4.2 支護(hù)方案確定

1) 巷內(nèi)錨索支護(hù)方法。

由于灰?guī)r距離工作面頂板11 m,恒阻錨索應(yīng)超出切頂孔且錨固在穩(wěn)定巖層中不低于1 m,考慮到切頂參數(shù),恒阻大變形錨索長(zhǎng)度定為12.3 m,托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm,中間加工直徑100 mm的圓孔,恒阻錨索支護(hù)參數(shù)見表2.

表2 恒阻錨索支護(hù)參數(shù)表

相鄰錨索間采取W鋼帶連接方式,W鋼帶選用2600 mm×300 mm×5 mm鋼板制作,根據(jù)間距加工200 mm×100 mm的長(zhǎng)孔。恒阻器長(zhǎng)500 mm,恒阻值為30～32 t,預(yù)緊力不小于29 t. 錨索支護(hù)情況見圖9(a).

圖9 1213巷恒阻錨索支護(hù)圖

2) “丁”字口處支護(hù)方法。

因1213巷為1306工作面和1307工作面共用順槽,1213巷留巷的起始段位于1306工作面“丁”字口處,該位置礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。為保障巷道具有良好的穩(wěn)定性,在1213巷留切眼及工作面推進(jìn)20 m范圍內(nèi)加密支護(hù)恒阻錨索,錨索間排距為2000 mm×1500 mm.“丁”字口加固段恒阻錨索支護(hù)情況見圖9(b).

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

針對(duì)研究提出的堅(jiān)硬頂板切頂卸壓及沿空留巷支護(hù)方法在1306工作面進(jìn)行了工程實(shí)踐,并對(duì)巷道變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖10. 方案實(shí)施前,沿空巷道變形較大,巷道變形穩(wěn)定后頂板最大下沉量為765 mm,最大底鼓量為208 mm,兩幫最大移近量為557 mm;方案實(shí)施后,沿空巷道變形顯著下降,巷道變形穩(wěn)定后頂板最大下沉量為343 mm,最大底鼓量為115 mm,兩幫最大移近量為227 mm. 綜合對(duì)比分析,頂板下沉量降低了55.1%,底鼓量降低了44.7%,兩幫移近量降低了59.2%,沿空巷道頂板變形得到了良好控制。

圖10 巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

6 結(jié) 語

1) 通過對(duì)切頂條件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,隨著切頂高度的增加,頂板卸壓區(qū)域也隨之增大,較大的切頂高度更有利于巷道圍巖的穩(wěn)定;隨著切頂角度的增加,圍巖應(yīng)力及頂板位移均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),綜合確定合理切頂高度與角度分別為10 m和15°.

2) 通過預(yù)裂切頂試驗(yàn)分析,采用2+3+4+4+3+2裝藥方式,4孔連接、單次爆破8個(gè)孔的起爆方式,裂縫率達(dá)85%以上,切縫效果良好。

3) 針對(duì)切頂卸壓留巷支護(hù)需要,提出在留巷前期采用“π梁+單體支柱”支護(hù)方式,在工作面“丁”字口位置采用加密恒阻錨索支護(hù)技術(shù)。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,頂板下沉量降低了55.1%,底鼓量降低了44.7%,兩幫移近量降低了59.2%,沿空巷道頂板變形得到了良好控制。