荊寶煤礦30301工作面沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

張雄杰

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 三元古韓荊寶煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 046200)

我國(guó)山西、內(nèi)蒙、新疆、陜西等主要產(chǎn)煤區(qū)域煤炭資源賦存量大、產(chǎn)煤量高,為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要的能源供應(yīng)[1-2]。這些主要產(chǎn)煤區(qū)域的煤層厚度大,工作面回采過程中礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,以往的設(shè)計(jì)普遍通過留設(shè)20～30 m的大尺寸區(qū)段煤柱緩解相鄰工作面間的回采擾動(dòng),以維持回采巷道的圍巖穩(wěn)定,但在實(shí)現(xiàn)安全回采的同時(shí)也浪費(fèi)了大量的煤炭資源。如能在厚煤層條件下應(yīng)用沿空留巷技術(shù)取消區(qū)段煤柱的留設(shè),將大大提高煤炭資源回收率[3-5]。本文以荊寶煤礦30301綜放工作面為工程背景,對(duì)厚煤層條件下沿空留巷圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程背景

荊寶煤礦目前主采3號(hào)煤層,煤層走向180°～185°,傾向270°～275°,傾角0°～8°。煤層厚度為4.5～6.3 m,平均厚度為5.62 m,煤層厚度穩(wěn)定。3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性

在以往的工作面設(shè)計(jì)中,相鄰工作面間留設(shè)30 m的區(qū)段保護(hù)煤柱,以3號(hào)煤層平均厚度5.62 m、工作面回采長(zhǎng)度1 500 m計(jì)算,留設(shè)區(qū)段保護(hù)煤柱的煤炭損失量高達(dá)35.4萬噸。若采用沿空留巷技術(shù),可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。沿空留巷技術(shù)能否成功,取決于能否維持巷道圍巖的穩(wěn)定,因此合理的巷道支護(hù)方案是沿空留巷成功的關(guān)鍵,包括巷旁支護(hù)(巷旁充填體寬度)及巷內(nèi)支護(hù)兩個(gè)方面。

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)

合理的巷旁充填體寬度不僅要求充填體具備足夠的支護(hù)強(qiáng)度,還要求盡可能降低充填體位置的應(yīng)力集中,保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)對(duì)相似地質(zhì)條件礦井的調(diào)研,充填體寬度一般為1.0～2.0 m.綜合考慮荊寶煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及充填成本,充填材料選用C30混凝土。借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對(duì)充填體寬度為1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m條件下的充填效果進(jìn)行分析。

以荊寶煤礦30301工作面地質(zhì)條件構(gòu)建數(shù)值模型,模型尺寸為300 m×300 m×78.1 m,巷道寬×高=5 m×3.5 m,模型前、后、左、右及下表面均施加約束,上表面施加11.5 MPa的垂直應(yīng)力,用以模擬上覆巖層的自重對(duì)采場(chǎng)的荷載作用。3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

不同充填體寬度條件下,巷道圍巖垂直應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 不同充填體寬度巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

如圖1所示,數(shù)值模擬顯示不同充填體寬度條件下,巷道實(shí)體煤側(cè)距離巷幫8 m左右位置均出現(xiàn)了垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象,垂直應(yīng)力最大值為39 MPa.當(dāng)充填體寬度為1.1 m時(shí),充填體支撐頂板巖層位置垂直應(yīng)力為3.7 MPa,在頂板上方0.50 m位置垂直應(yīng)力達(dá)到最大值8.1 MPa;當(dāng)充填體寬度為1.3 m時(shí),充填體支撐頂板巖層位置垂直應(yīng)力為4.23 MPa,在頂板上方0.51 m位置垂直應(yīng)力達(dá)到最大值8.38 MPa;當(dāng)充填體寬度為1.5 m時(shí),充填體支撐頂板巖層位置垂直應(yīng)力為4.76 MPa,在頂板上方0.62 m位置垂直應(yīng)力達(dá)到最大值9.1 MPa;當(dāng)充填體寬度為1.7 m時(shí),充填體支撐頂板巖層位置垂直應(yīng)力為5.55 MPa,在頂板上方0.48 m位置垂直應(yīng)力達(dá)到最大值9.6 MPa;當(dāng)充填體寬度為1.9 m時(shí),充填體支撐頂板巖層位置垂直應(yīng)力為6.4 MPa,在頂板上方0.52 m位置垂直應(yīng)力達(dá)到最大值9.8 MPa.數(shù)值模擬結(jié)果顯示,隨著充填體寬度不斷增加,充填體支撐頂板位置垂直應(yīng)力也隨之增大。

不同充填體寬度條件下,巷旁充填體水平位移如圖2所示。

圖2 不同充填體寬度條件下巷旁充填體水平位移

如圖2所示,隨著充填體寬度的不斷增大,巷旁充填體的水平位移不斷減小。當(dāng)充填體寬度為1.1 m時(shí),巷旁充填體最大水平位移為138 mm;當(dāng)充填體寬度為1.3 m時(shí),巷旁充填體最大水平位移為112 mm;當(dāng)充填體寬度為1.5 m時(shí),巷旁充填體最大水平位移為90 mm;當(dāng)充填體寬度為1.7 m時(shí),巷旁充填體最大水平位移為85 mm;當(dāng)充填體寬度為1.9 m時(shí),巷旁充填體最大水平位移為60 mm.

綜上所述,雖然充填體越大,水平位移越小,但是充填體位置垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象也更明顯。因此,綜合考慮充填體垂直應(yīng)力集中、水平位移及充填成本,確定合理的充填體寬度為1.5 m.

2.2 巷內(nèi)支護(hù)

沿空留巷技術(shù)是通過技術(shù)手段將上一區(qū)段的回采巷道保留下來為下一區(qū)段繼續(xù)服務(wù),因此巷道需要經(jīng)歷兩次回采擾動(dòng)影響,對(duì)于巷道支護(hù)也提出了更高的要求,尤其是厚煤層開采過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈,如果巷內(nèi)支護(hù)不當(dāng)極易導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)進(jìn)而引發(fā)安全事故。綜合參考荊寶煤礦3號(hào)煤層已采工作面支護(hù)效果及相似地質(zhì)條件礦井的沿空留巷現(xiàn)場(chǎng)效果,確定巷內(nèi)支護(hù)參數(shù)如下:頂板采用ΦD22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×800 mm,錨索規(guī)格為Φ22 mm×8 300 mm,間排距為1 400 mm×1 800 mm;巷幫采用Φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×800 mm,支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)方案(單位:mm)

3 工程試驗(yàn)

按照前述設(shè)計(jì)方案,在荊寶煤礦30301工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),將30301運(yùn)輸巷采用沿空留巷技術(shù)保留下來作為30303工作面的回風(fēng)巷使用。為了解前述方案的留巷效果,對(duì)30301運(yùn)輸巷巷道圍巖變形量、頂板離層量及充填體位移進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線

如圖4(a)所示,在滯后工作面10 m范圍內(nèi),由于采場(chǎng)上覆巖層仍處于穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)留巷段巷道圍巖的動(dòng)壓影響并不大,因此巷道圍巖無明顯變形;在滯后工作面10～60 m范圍內(nèi),隨著工作面不斷推進(jìn),采空區(qū)懸頂面積增大,采場(chǎng)上覆巖層發(fā)生破斷、垮落,礦壓顯現(xiàn)劇烈,此時(shí)巷道圍巖受動(dòng)壓影響較大,圍巖變形量急劇增大;在滯后工作面60～80 m范圍內(nèi),隨著采空區(qū)頂板巖層垮落,堆積矸石對(duì)上覆巖層起到一定的支撐作用,采場(chǎng)上覆巖層逐漸趨于穩(wěn)定,巷道圍巖所受動(dòng)壓影響逐漸減小,巷道圍巖變形量也逐漸減小;在滯后工作面80 m以后,采場(chǎng)上覆巖層基本穩(wěn)定,距離工作面也較遠(yuǎn),巷道圍巖基本不受采動(dòng)影響,圍巖也基本處于穩(wěn)定狀態(tài),最終巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?37 mm,兩幫移近量最大值為100 mm.

如圖4(b)所示,頂板離層儀淺基點(diǎn)讀數(shù)和深基點(diǎn)讀數(shù)變化趨勢(shì)較為平穩(wěn),最終淺基點(diǎn)變化量為18 mm,深基點(diǎn)變化量為22 mm,兩者的差值即為頂板離層量,數(shù)據(jù)顯示頂板離層量?jī)H為4 mm,表明前述支護(hù)方案有效,支護(hù)效果良好。

如圖4(c)所示,充填體變形趨勢(shì)與巷道圍巖變形趨勢(shì)基本一致。在滯后工作面10 m范圍內(nèi),巷道基本不受動(dòng)壓影響,充填體基本處于穩(wěn)定狀態(tài);在滯后工作面10～60 m范圍內(nèi),受到頂板巖層破斷、垮落的動(dòng)壓影響及工作面回采擾動(dòng)影響,充填體橫向位移和縱向位移都急劇增大;在滯后工作面60 m以后時(shí),距離工作面較遠(yuǎn),采場(chǎng)上覆巖層逐漸趨于穩(wěn)定,充填體也逐漸穩(wěn)定不再發(fā)生形變。最終,充填體水平位移量最大值為60 mm,垂直位移量最大值為90 mm.

整體來看,巷道圍巖變形量不大,充填體支撐效果良好,頂板也未出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象,表明采用C30混凝土進(jìn)行巷旁充填,充填體寬度為1.5 m條件下,采用前述支護(hù)方案,可以維持巷道圍巖穩(wěn)定,留巷效果良好。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 采用數(shù)值模擬的方法確定了荊寶煤礦30301工作面運(yùn)輸巷沿空留巷合理的充填體寬度為1.5 m,充填材料選用C30混凝土。

2) 為維持巷道圍巖穩(wěn)定,巷道頂板及巷幫均選用Φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×800 mm,頂板布置Φ22 mm×8 300 mm的錨索,間排距為1 400 mm×1 800 mm.

3) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,巷道圍巖及巷旁充填體變形量不大,頂板無明顯離層現(xiàn)象,沿空留巷效果良好。