劉 茂

(西山煤電股份有限公司 西曲礦, 山西 古交 030200)

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·試驗(yàn)研究·

沿空掘巷窄煤柱尺寸及采掘加固方案研究

劉 茂

(西山煤電股份有限公司 西曲礦, 山西 古交 030200)

在對綜放沿空掘巷圍巖變形和窄煤柱受力狀況進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了窄煤柱寬度尺寸的確定原則和計(jì)算方法，并由此提出錨桿+錨索+注漿等沿空掘巷圍巖聯(lián)合加固方案，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，效果良好，在保證綜放工作面生產(chǎn)安全前提下，提高了煤炭資源回采率，可為煤炭企業(yè)綜放工作面沿空掘巷生產(chǎn)提供借鑒。

綜放工作面；沿空掘巷；窄煤柱尺寸；圍巖變形；聯(lián)合加固

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，煤炭資源的需求和開采量大幅增加，與此同時(shí)，煤炭資源儲量逐年減少，開采難度增大，因此，如何高效、合理地進(jìn)行煤炭采掘成為當(dāng)前各生產(chǎn)單位迫切需要解決的問題。綜放工作面煤炭開采過程中，近80%以上的巷道為回采巷道，常見的回采巷道布置方式有3種：寬煤柱護(hù)巷、窄煤柱沿空掘巷及沿空留巷。寬煤柱護(hù)巷是指在與上區(qū)段采空區(qū)相距較遠(yuǎn)的原巖應(yīng)力區(qū)位置進(jìn)行巷道挖掘，從而避開側(cè)支撐壓力的影響，并保留較寬煤柱，此種采掘工藝對煤炭資源存在較大浪費(fèi)。窄煤柱沿空掘巷是指將下區(qū)段回采巷道布置在距上區(qū)段采空區(qū)較近位置，中間留3～9 m窄煤柱，一方面可使巷道位于側(cè)支撐壓力降低區(qū)，另一方面可有效提高煤炭的回采率。沿空留巷是指將上區(qū)段的工作面巷道直接用作下區(qū)段回采巷道，該采掘工藝雖然較大程度提高了資源的回收率，但其施工工藝復(fù)雜，巷道變形較大，開采成本較高。對比以上3種方式，我國煤炭企業(yè)廣泛采用沿空掘巷采挖工藝，可提高煤炭回采率[1-3].

實(shí)踐和研究表明，綜放工作面窄煤柱沿空掘巷過程中，窄煤柱尺寸確定及掘后圍巖加固方案是采掘工藝的重點(diǎn)。本文將結(jié)合屯留礦沿空掘巷生產(chǎn)實(shí)踐，對沿空掘巷的圍巖變形、受力分布、窄煤柱尺寸確定及圍巖加固方案等進(jìn)行研究，為煤炭企業(yè)綜放工作面沿空掘巷生產(chǎn)提供借鑒。

1 沿空掘巷圍巖變形和受力分析

1.1 沿空掘巷圍巖變形

上區(qū)段開采完成后，其回采巷道采用頂部矸石直接冒落的方式進(jìn)行回填，隨后下區(qū)段的回采方式采用沿空掘巷，在此過程中，回采區(qū)域內(nèi)圍巖的受力狀態(tài)發(fā)生較大改變，并發(fā)生一定程度位移和形變。綜放沿空掘巷頂部圍巖變形示意圖見圖1. 隨著上區(qū)段綜放工作面逐漸向圖1所示右側(cè)推進(jìn)，回采巷道頂部的矸石不斷冒落回填，但由于回填高度有限，頂部巖體支撐不足而發(fā)生斷裂扭轉(zhuǎn)，最終形成圖1中A、B、C 3處巖塊。其中，巖塊B一端位于下區(qū)段回采巷道支護(hù)窄煤柱頂部，而另一端扭轉(zhuǎn)下落，并與上區(qū)段采空區(qū)的冒落矸石接觸，形成三角形區(qū)域。由于巖塊B變形較大，且與下區(qū)段距離較近，因此，對沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定性影響最大[4-5].

圖1 綜放沿空掘巷頂部圍巖變形示意圖

1.2 沿空掘巷窄煤柱受力

圖1中巖塊B斷裂旋轉(zhuǎn)后對下區(qū)段窄煤柱附近圍巖產(chǎn)生較大的側(cè)向壓應(yīng)力，且其應(yīng)力峰值隨著巖塊B的不斷彎曲下沉而向下區(qū)段內(nèi)部轉(zhuǎn)移?，F(xiàn)場實(shí)測及理論研究表明，沿空掘巷窄煤柱邊緣區(qū)域所受應(yīng)力呈現(xiàn)特定分布規(guī)律，在距離采空區(qū)較遠(yuǎn)位置僅受原巖應(yīng)力影響，隨著與采空區(qū)距離縮短，出現(xiàn)應(yīng)力峰值，隨后不斷降低，并在窄煤柱位置回落至較低數(shù)值，綜放沿空掘巷窄煤柱受力示意圖見圖2，應(yīng)力分布區(qū)域可分為4段：

圖2 綜放沿空掘巷窄煤柱受力示意圖

1) 松散免壓區(qū)。靠近上區(qū)段采空區(qū)，位于下區(qū)段煤巖體邊緣，由于煤巖體的結(jié)構(gòu)和連續(xù)性在開采過程中發(fā)生一定程度破壞，裂隙較多但不連續(xù)貫通，變形較大，因此，承載能力較低，所受壓力較小。

2) 塑性變形區(qū)。位于松散免壓區(qū)和應(yīng)力峰值之間，在超前應(yīng)力峰值向前推進(jìn)過程中，煤巖體發(fā)生屈服和塑性變形，由于其巖體連續(xù)性尚好，因此承載能力較強(qiáng)。

3) 彈性變形區(qū)。位于應(yīng)力峰值和原巖應(yīng)力區(qū)之間，圍巖應(yīng)力僅使其發(fā)生彈性變形，因此其巖體結(jié)構(gòu)連續(xù)性未受到破壞，可承受較高的應(yīng)力。

4) 原巖應(yīng)力區(qū)。由于距采空區(qū)較遠(yuǎn)，因此，其應(yīng)力狀態(tài)不受采空區(qū)斷裂基本頂?shù)扔绊憽?/p>

由上述分析可知，由于松散免壓區(qū)內(nèi)應(yīng)力較小，因此，沿空掘巷適宜布置在該區(qū)域；當(dāng)巷道布置在塑性和彈性變形區(qū)內(nèi)時(shí)，巷道圍巖將承受較大側(cè)向支撐壓力和煤體變形壓力。

2 沿空掘巷窄煤柱尺寸計(jì)算

采掘過程中，合理計(jì)算和確定沿空掘巷窄煤柱的尺寸是采掘工藝和支護(hù)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，煤柱尺寸過小或過大都不利于后期工作面回采和巷道圍巖穩(wěn)定性控制。

2.1 窄煤柱尺寸確定原則

由于沿空掘巷選擇在松散免壓區(qū)進(jìn)行布置，因此，挖掘所形成的窄煤柱并不對頂板起主要支撐作用，而僅用作上區(qū)段采空區(qū)和下區(qū)段綜放工作面的物理隔離屏障，阻隔采空區(qū)瓦斯、水等有害物的涌入。因此，窄煤柱尺寸的確定有以下幾點(diǎn)原則：

1) 滿足加固條件要求，即巷道形成后，其圍巖相對完整，錨桿深入后可明顯提高圍巖整體強(qiáng)度，在使用錨桿、錨索、注漿等支護(hù)措施后，可形成有效支護(hù)強(qiáng)度下的回采巷道。

2) 隔離性相對較好，巖體裂隙未貫通連接，保證采空區(qū)與當(dāng)前工作面不透風(fēng)，防止瓦斯涌入。

3) 煤炭回采率提高明顯。煤柱尺寸盡量小，以提高下區(qū)段煤炭回采率。

2.2 窄煤柱尺寸計(jì)算

在綜合考慮錨桿支護(hù)強(qiáng)度、圍巖連續(xù)性及煤炭回采率前提下，窄煤柱尺寸的理論計(jì)算公式如下[1]：

B=2Rp+L1+L2

式中：

Rp—巷道開挖塑性變形半徑，m；

L1—錨桿有效長度，m；

L2—安全因素富余量，m，一般L2=(0.2～0.4)Rp.

式中：

R0—巷道開挖半徑，m；

c—煤巖的黏聚力，MPa；

φ—煤巖內(nèi)摩擦角，(°)；

pi—圍巖支護(hù)阻力，N；

P—覆巖壓力，N，P=kγh；

γ—覆巖容重，kN/m3；

h—巖層厚度，m.

本文所研究的屯留礦12024工作面，相關(guān)計(jì)算參數(shù)如下：R0=1.6 m，c=0.55 MPa，φ=32°，pi=6.3 N，k=1.4，γ=28 kN/m3，h=530 m；L1=2.4 m.得Rp=2.6 m.

由此計(jì)算可得窄煤柱寬度尺寸：

B=2Rp+L1+L2=

2×2.6+2.4+0.3×2.6=8.4 m

3 沿空掘巷圍巖變形綜合控制方案

沿空掘巷所處位置圍巖變形較大，若利用現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)控制巷道的絕對變形，成本過大，加固難度較高，且從該巷道的后期受力狀況和實(shí)際使用情況看，只需有效控制和抑制圍巖的繼續(xù)變形即可，保證圍巖的完整性和一定的承載能力。針對這一問題，可從4個(gè)方面制定相應(yīng)控制方案：

1) 勘察選定錨固區(qū)。根據(jù)頂部矸層厚度、巖層構(gòu)造、裂隙發(fā)育等情況選擇錨固深度、角度和間距等，確保錨桿與錨固劑在固定區(qū)域形成整體支護(hù)。

2) 防止早期頂板離層。由于巷道開挖后，圍巖受力狀態(tài)持續(xù)變化，且頂板早期離層較為嚴(yán)重，因此應(yīng)及時(shí)將錨桿打入深部巖層，并施加合適預(yù)緊力。

3) 采用錨桿、錨索、注漿進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。錨桿、錨索配合，局部注漿加強(qiáng)，提高煤柱的穩(wěn)定性。

12024工作面斷面支護(hù)方案見圖3.

圖3 綜放沿空掘巷斷面支護(hù)方案

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

12024工作面沿空掘巷采用以上圍巖變形綜合控制方案后，效果明顯。巷道開挖后立即進(jìn)行“錨桿+錨索+注漿”的聯(lián)合支護(hù)方案，頂板中發(fā)育迅速的短縱向裂隙被漿體填充，圍巖的完整性在早期得以有效控制。同時(shí)，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，支護(hù)方案實(shí)施后，圍巖早期急速離層量僅為3 mm，頂板下沉量降低近1/3，煤幫和底鼓變形分別減少12.5%、22.3%.

5 結(jié) 論

通過對綜放沿空掘巷圍巖變形和窄煤柱受力狀況進(jìn)行研究，提出了窄煤柱寬度尺寸的確定原則和計(jì)算方法，并由此提出“錨桿+錨索+注漿”等沿空掘巷圍巖聯(lián)合加固方案，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，效果良好，在保證綜放工作面生產(chǎn)安全前提下，提高了煤炭資源回采率。

[1] 溫克珩.深井綜放面沿空掘巷窄煤柱破壞規(guī)律及其控制機(jī)理研究[D].西安：西安科技大學(xué),2009.

[2] 柏建彪,侯朝炯,黃漢富，等.沿空掘巷窄煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(20):3475-3479.

[3] 王德超,李術(shù)才,王 琦，等.深部厚煤層綜放沿空掘巷煤柱合理寬度試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014(3):539-548.

[4] 劉 佳.采掘相向沿空掘巷窄煤柱合理尺寸研究[D].青島：山東科技大學(xué),2015.

[5] 王 猛,柏建彪,王襄禹，等.迎采動(dòng)面沿空掘巷圍巖變形規(guī)律及控制技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2012,29(2):197-202.

Research on Narrow Coal Pillar Width and Reinforcement Scheme for Gob-side Entry Driving

LIU Mao

On the basis of studying the deformation of surrounding rock and the stress state of narrow pillar of gob-side entry driving in fully mechanized caving face, the principle and calculation method of the width of narrow pillar are put forward. The comprehensive measures are introduced with bolt，anchor and grouting together, the results show that this method can improve the recovery rate of coal resources under the precondition of guaranteeing the safety in fully mechanized top coal caving mining face, and can be applied in other coalmines with similar conditions for safety Production and technical reference.

Fully mechanized caving face; Gob-side entry driving; Narrow coal pillar width; Surrounding rock deformation; Combined strengthening

2016-06-10

劉 茂(1985—)，男，山西代縣人， 2005年畢業(yè)于山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦開采技術(shù)管理工作(E-mail)339094949@qq.com

TD322

A

1672-0652(2016)08-0038-03